WO1993022706A1

WO1993022706A1 - External modulator for optical communication

Info

Publication number: WO1993022706A1
Application number: PCT/JP1993/000148
Authority: WO
Inventors: Toshiya Hikami; Shoichi Negami; Matsue Murata; Shigeaki Nishikawa; Hiromi Ogawa
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1993-11-11
Also published as: EP0591540A1; US5506721A; CA2112480A1; EP0591540A4

Description

明細書

光通信用外部変調器

技術分野

本発明は、光ファイバに外部から変調信号を印加して、その光フアイバ中を伝搬している光を間接的に変調させる光通信用外部変調器に関し、更に詳しくは、製造が容易であり、光ファイバ中の弾性波の共鳴を抑制することができ、また、挿入損失が小さいので 1つの伝送路に多数接続することが可能であり、フラッ卜な周波数特性を有し、高周波変調でも使用可能な光通信用外部変調器に関する。

背景技術

従来から光通信システムに組込まれている変調器のほとんどは、光源である半導体レーザ素子や発光ダイォードなどへの印加電流を変化させて、その出力光を直接変調させる直接変調方式のものが一般的である。

しかしながら、この方式の場合には、光源として一般に用いられている L D (レーザーダイオード）などの強度が変調することに基づいて光源が不安定であり、光信号の伝送距離は大きく制約を受けるという問題がある。

また、この方式は、 1伝送路に対し 1信号源（発信源）を基本とするため、複数個の信号源からの光信号を 1つの伝送路に乗せるためには、信号源と伝送路の間に光結合器を揷入することが必要になる。しかしながら、上記した直接変調方式では、光結合器の前記挿入に伴って生ずる掙入損失は大きい。例えば、この揷入損失が比較的小さいとされている導波路型光結合器の場合でも約 0. 5 d Bである。そのため、 1つの伝送路に結合できる i 号の数は制限される。

直接変調方式における上記制約を克服するために、最近では、外部変調方式を利用する変調器の ¾発が進められている。

この外部変調方式は、 1つの光伝送路に、時間に対して強度が一定である直流光源を備えていて、光伝送路の途中に配置されている変調器において通過光に変調を与える方式であり、光源の不安定さに基づく障害を排除することが可能である。また、変調器を光伝送路に接続したときの挿入損失は小さく、そのため、光伝送路へ多数個を設置することが可能であるという利点も備えている。

このような外部変調方式の光通信システムに組込む変調器としては、次のようなものが代表的な例として知られている。

その 1つは、 L i N b 0 ₃ の基板の上に例えばイオン交換によって屈折率大の導波路パターンを形成し、その導波路の近傍に電圧印加用の電極を配置したものである。

この外部変調器は電気先学効果を利用して作動するものであり、高周波領域（〜数 G H z ) における変調特性は優れているが、温度変化や湿度変化に対する依存性が大きく、これらの変化に対応して生じた導波路基板の膨張収縮や経時変化などにより、光出力強度のバイアス電圧依存性に変化が生じ、安定した動作が得にくいという問題がある。しかも、 L i N b 0₃ の単結晶は極めて高価であるため工業的な実用性で難点がある。そして、この外部変調器の場合、挿入損失は 2〜4 d Bと大きいので、 1つの光伝送路に多数設置することが困難である。

また、 D. S. Czaplakや F. S. Hickernel 1らが Ul trasonics Symposium, 1 9 8 7年， 4 9 1〜4 9 3頁で発表した第 1図で示したようなタイプのものがある。この外部変調器は、シングルモード光フアイバ 1のクラッド層 1 aの外周を C r一 A u薄膜から成る下部電極 2，圧電体である Z n Oの薄膜 3，更に C r— A u薄膜から成る上部電極 4で被覆した構造のものである。

また、 Godi 1 りは、 J. Lightwave Technol vol. 6， 1586, 1988において、第 2図で示したように、光フアイバの外周のうち約 1 8 0 °Cの部分に C uZA uから成る下部電極 2， Z n 0から成る圧電薄膜 3を順次部分的に成膜したものを提案している。この外部変調器の場合は、光ファイバのコア 1 bに集中する弾性波の応力を軸対称ではなく軸に垂直にすることにより、不要な弾性波の共鳴モードを減少させることができる。

これらの外部変調器は、光ファイバと外部変調手段が ' 一体構造になっているため、伝送路への挿入損失は極めて少なく、かつ安価に製造できるという利点を備えてい

る。 '

しかしながら、これらの外部変調器の場合、下部電極，圧電薄膜，上部電極は、いずれも真空蒸着法ゃスパッタ

法を適用して成膜されているが、光フアイバ 1の表面は - 曲面であるため、その円周方向の全体に亘つて均一な圧

電特性を有する圧電薄膜を成膜するためには、成膜装置

内で光ファイバを回転させたり、その他の高度な操作技

術が必要になり、製造上の難点がある。

更には、光ファイバの外周において弾性波が大きく反

射し、そのため光ファイバの内部で弾性波の共鳴が起こ

り、その結果、変調器としての周波数特性がフラットに

ならないという特性上の不都合な問題が生ずる。

更に、 D . B . Patterson らは、 Opt ics Let t ers, vo l

14， No. 4, 1989年， I 4 8〜2 5 0頁において、第 3図

で示したようなタイプのものを発表している。

この外部変調器は、石英ガラス製の支持基板 5の一方

の面に下部電極 2， Z n Oの薄膜 3，上部電極 4をこの

順序で積層し、他方の面に断面が半円状の溝 5 aを形成

し、この溝 5 aの中にシングルモード光フアイバ 1を密

着して埋込んだ構造のものである。

この外部変調器は、前記した Hi ckerne l lらのものと同

じょうに、光伝送路への挿入損失は極めて小さくなり、 ' また支持基板 5の表面は平面であるため、下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4の膜厚制御は容易であり、全面に亘つて均一な圧電特性を'得ることができるという利点を備えている。

しかし、この外部変調器の場合、石英ガラスの支持基板 5の一方の面に形成する溝 5 aを、ここに密着して埋込むべきシングルモード光フアイバ 1の断面の曲率と正確に一致させるように加工することは非常に困難である。更には、 Hi ckerne l lや God i l らの場合と同じ理由で、光フアイバの内部では共鳴現象が起こり、その変調器としての周波数特性がフラットにならない。

また、支持基板 5と光フアイバ 1内を伝搬する弾性波

(音波）の速度は略等しくなつているため、支持基板 5 と光ファイバ 1 との界面では上記弾性波が直進してしまい、その弾性波を有効に光フアイバ 1のコアに集束させるということが困難である。、とくに、駆動周波数が高い場合は、圧電薄膜 3で発生した弾性波の指向性が極めて鋭く、弾性波は支持基板 5内を直進するため、光ファィバ 1のコアに入射する弾性波はごく限られた量になる。すなわち、圧電薄膜 3より発生した弾性波が、光フアイバ 1を伝搬している光の変調に寄与する割合は極めて小さく、効率が悪くなる。

これを改善するためには、圧電素子として機能する部分の縦横比を大きくして光フアイバに対する圧電薄膜の' 有効長を長くすればよいわけであるが、そのような処置を行うと圧電薄膜 3または上部電極 4の幅が狭くなるた

め、圧電薄膜と光ファイバとの枏対的な位置関係の設定

には高精度を要求され、組立が困難になる。

なお、上記した Hickerne l l, Go d i 1, Pat terson らの外

部変調器には共通して次のような問題がある。 · まず、圧電薄膜から発生する弾性波の振幅はそれぞれ

の膜厚に大きく依存することである。そして、その振幅

は、圧電薄膜への印加周波数と S / N比とから計測する

ことができるが、その値は、第 4図で示したように、共

振周波数 f rで最大値をとり、共振周波数 f rからずれ

るにつれて大きく減衰していくため、それに伴う変調周

波数の帯域幅が狭くなつてしまうことである。

また、これら外部変調器の場合、変調媒体として圧電

薄膜が使用されているため、それと下部電極および上部

電極によって構成される圧電素子部は電気的にはコンデ

ンサとなる。このため、そのインピーダンスは情報源で

ある変調信号出力部からの変調信号の周波数に依存して

変化する。この変調信号を効率良く圧電素子部に伝える

ためには、情報源である変調信号出力部と圧電素子部の

間で電気的整合を取らなければならない。

周波数による圧電素子部のィンピ一ダンス変化は、圧

電素子部の電気容量に依存し、この電気容量は上部電極

の面積に大きく依存する。したがって、これら外部変調' 器の使用周波数帯域は上部電極の面積に依存することになる。このため、上部電極を 1個しかもたない外部変調器の場合には使用周波数帯域が 1つしか取れず、伝送する情報量が少なくなつてしまうという問題がある。

この問題を補うため、 1 ケ所の局に複数の外部変調器を直列接続することが考えられる。この場合、複数の外部変調器間を光ファイバで接続するとき、光ファイバの両端に光コネク夕が接続されていればコネクタ用ァダブ夕を用いて容易に接続可能であるが、この接続方式では接続個所が多数になればなるほど挿入損失が無視できなくなり、またコネクタ間で光が反射するという新たな問題が生じてくる。

また、光ファイバの両端を融着法を用いて接続すれば前記の挿入損失および光の反射の問題はなくなるが、取り扱いが困難であるという問題が生じてくる。

また、前記 2つの接続方式に共通した問題として、変調システムの占有スペースが大きくなることがある。

更に、藤崎らが信学春全大 B - 8 9 1 , 1 9 9 0年において発表したタイプのものがある。、この外部変調器は、シングルモード光フアイバの被覆上に P Z T圧電セラミックスを機械的に押しつけた構造のものである。

しかしながら、このタイプの外部変調器は、圧電体とシングルモード光フアイバのクラッドが密着していないため、圧電体から光フアイバへの弾性波の伝達効率が劣' り、その結果、 1 M H z以上の高周波変調に適切に対応できるものとはいいがたい。

本発明の目的は、挿入損失が小さいことはもち論のこ

と、特定の共鳴ピークをもたないフラッ卜な周波数特性

を示し、 5 0 ひ M H z程度の高周波変調も可能である光

通信用外部変調器を提供することである。 - 本発明の別の目的は、下部電極，圧電薄膜，上部電極

の膜厚を制御することが容易であるため製造しやすく、

しかも、圧電薄膜の配向性制御を容易に行うことができ、良好な圧電効果を実現できる光通信用外部変調器を提供

することである。

本発明の更に別の目的は、圧電薄膜で発生した弾性波

を効率よく光ファイバのコアに集束することができ、も

つて優れた変調効率の実現が可能な光通信用外部変調器

を提供することである。

本発明の他の目的は、圧電薄膜から発生した弾性波の

出力効率の周波数特性がブロードであり、変調周波数帯

域幅が広域化している光通信用外部変調器を提供するこ

とである。

更に他の目的は、単一の外部変調器で多くの情報を伝

達することができ、かつ、変調システムの占有スペース

を狭くすることができる光通信用外部変調器を提供する

ことである。

発明の開示 ' 本発明においては、第 1の態様として、下記から成る光通信用外部変調器：

配置されるシングルモード光フアイバのクラッド層と略同じ音響ィンピーダンスを有する支持基板；

前記支持基板の一方の面に、下部電極，圧電薄膜，上部電極をこの順序で積層して成る圧電素子部；

前記支持基板の他方の面に配置された少なくとも 1本のシングルモード光フアイノく；および、

前記シングルモード光フアイバの配置個所の少なくとも一部分では前記シングルモード光フアイバを被覆し、力、つ、前記シングルモード光ファイバのクラッド層と近似した音響ィンピーダンスを有する物質；が提供される。また別の態様としては、下記から成る光通信用外部変調 s§ ：

前記上部電極の上に配置される少なくとも 1本のシングルモード光フアイバ；および、

前記シングルモード光フアイバの配置個所の少なくとも一部分では前記シングルモ一ド光フアイバを被覆し、力、つ、前記シングルモード光フアイバのクラッド層と近似した音響ィンピーダンスを有する物質；が提供される。 ' 更に別の態様としては、下記から成る光通信用外部変調器：

光伝送路を内蔵し、かつ、.前記光伝送路と略等しい音響インピーダンスを有する媒質から成る支持基板；前記支持基板の一方の面に、下部電極，圧電薄膜，上部電極をこの順序で積層して成る圧電素子部；が提供される。

上記した第 1の態様の外部変調器は、第 5図〜第 Ί図で示したような基本構成のものであり、支持基板の一方の面に圧電素子部が、他方の面にシングルモード光ファィバが配置された構造になっている。

まず、第 5図において、例えば厚み 1 匪，縦 2 0 誦，撗 2 O mmで石英ガラスから成る平板状の支持基板 6の一方の面 6 aには、薄膜状の下部電極 2，圧電薄膜 3，更に薄膜状の上部電極 4がこの順序で積層されて圧電素子部 Aを構成し、下部電極 2と上部電極 4には、圧電薄膜 3を駆動するための電気信号を導入するリード 7 a ， 7 bがそれぞれ添着されている。

支持基板 6の材料としては、上記した石英ガラスに限定されるものではなく、この支持基板に配置するシングルモード光フアイバのクラッド層と音響ィンピーダンスが略等しい値を有する材料であればよく、例えば、 S i 基板ゃサフアイャ基板なども使用することができる。下部電極 2，上部電極 4の材料としては、格別限定さ' れないが、例えば、 A 1 ， C r ， A u , C u， C r / A u， T a Z A u , T i Z A uなどをあげることができ、また、圧電薄膜 3の材料としては、例えば L i N b〇 ₃， Z n 0， A 1 N， P V D F (ポリフッ化ビニリデン）などをあげることができる。

これらの下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4 は、いずれも例えば、スパッタリング法や真空蒸着法， C V D 法のような公知の成膜法で形成することができる。

この成膜時において、支持基板 6は平板形状であるため、ここへの下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4の成膜操作は、支持基板 6を固定したままで実施することができ、しかもそれぞれの膜厚制御は容易である。

したがって、全面に亘つて厚みが均一な下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4を成膜することができ、圧電素子部 Aは信頼性の高い機能を発揮することができるようになる。また、圧電薄膜 3の配向性を制御することが容易であり、例えば圧電薄膜を Z n 0で成膜したとき、 Z n〇の c軸を支持基板 6の面に対して垂直に配向させることにより、圧電効率を高めることができるようになる。支持基板 6の他方の面 6 bには、第 6図、および第 5 図の VI I— VI I 線に沿う断面図である第 7図で示したように、前記した圧電薄膜 3の直下の位置にシングルモード光ファイバ 8が配置されている。具体的には、支持基板の他方の面 6 bと上記光フアイバ 8の所望する長さの' 部分を、クラッド層 8 aの音響ィンピーダンスと近接した音響ィンピーダンスを有する物貧 9で S覆して光ファィバ 8を支持基板 6に固定する。なお、ここでいう音響ィンピーダンスとは、弾性波の伝搬媒質の密度とその媒質中を伝搬する弾性波の速度との積をいう。

その場合、光フアイバ 8の外周のうち、支持基板 6と接触している部分を除いた全ての外周が上記物質 9で被覆されるようにする。

このような物質としては、支持基板 6と音響ィンピーダンスが略等しい物質、、すなわち配置したシンダルモード光フアイバ 8のクラッド層 8 aの音響ィンピーダンスと略等しい音響インピーダンスを有する物質であれば何であってもよい

一般に、音響ィンピーダンスが Z 1 である媒質と音響ィンピ一ダンスが Z である媒質との界面における弾性波（音波）の反射係数は、

次式：（ Z ₂ — Z 1 ) Z ( Z ₂ + Z i )

で表される。

したがって、上記したようにシングルモード光フアイバの外周を上記物質で被覆すると、両者の界面の音響ィンピーダンスは略等しくなり、界面における反射係数は極めて小さくなる。そのため、伝搬してきた弾性波は効率よくシングルモード光ファイバに入射することができる。また、シングルモード光ファイバ内を透過した弾性波の光ファィバ境界面における反射に基づく戻りが抑制され、もって光ファィバ内における共鳴を抑制することができる。

このような効果を発揮する物質としては、例えば、ケィ酸ソーダ（N a O * 4 S i 0₂ · a q) に石英ガラスの微粉末を分散させ、それを焼成してガラス化したもの (音響ィンピ一ダンス： 1 3. 1 X 1 0⁶kg/ (m² · s)) 、同じくゲイ酸ソーダにアルミナ粉末を分散させ、それを焼成してガラス化したもの（音響ィンピーダンス： 1 5. 2 X 1 0 ⁶kg/ (m² · s)) 、同じくゲイ酸ソ一ダにジルコニァ粉末を分散させ、それを焼成してガラス化したもの (音響ィンピーダンス： 3 0. 1 X 1 0⁶kg/ (m² · s)) などのセラミックスや、また高分子化合物に所定量の金属粉を分散させてその固有音響ィンピーダンスをクラッド層 8 aに近似させたものをあげることができる。

この外部変調器においては、直流光源からシングルモード光ファイバ 8に光信号を通過させて、リード 7 a， 7 b間に所定周波数の電圧を印加する。圧電薄膜 3から光フアイバ 8に周期的な圧力が印加され、この外力によつて、光ファイバ 8の内部に屈折率分布が生じて通過光が変調される。

このとき、光ファイバ 8の外周はそのクラッド層 8 a と音響インピーダンスが近似した物質で被覆されているので、光ファイバ 8の外周では圧電薄膜 3から伝搬した' 音波の反射は起こらず前記物質中に逃散し、光ファイバの内部における共鳴現象は解消する。そのため、フラッ

トな周波数特性が得られる。

第 8図〜第 1 1図は、第 5図〜第 7図で示した構造の

外部変調器において、圧電素子部 Aで発生した弾性波を

効率よくシングルモード光ファイバのコアに集束するこ - とができ、もって変調効率の向上を可能にしたものを示

す。

この外部変調器は、支持基板 6が後述する構成をとる

ことを除いては、第 5図〜第 7図で示した外部変調器の

構造と変わるところはない。

すなわち、支持基板 6は、第 8図で示したように、弾

性波の伝搬速度が異なる 2つの媒質 & c， 6 dを接合し

て構成される。そして両媒質の接合面 1 0において、圧

電素子部 Aの直下に位置している両媒質の接合面 1 0 a

は、曲面になっている。

例えば、媒質 6 cを石英ガラスで形成し、媒質 6 dを

フリントガラスで形成すると、前者の方が後者の場合よ

りも弾性波の伝搬速度が高くなるので、その場合には、

第 8図で示したように、曲面 1 0 aは媒質 6 c側に凸の

曲面にする。

このような支持基板 6は、例えばフリン十ガラスの粉

末を所定の型に充填して曲面 1 0 aができるように固め

たのち、その上に石英ガラスの粉末を堆積し、高圧をか' けたまま昇温して溶融させることにより製造することができる。

なお、曲面 1 0 aは第 9図に示すような球面の一部のような形状であってもよく、第 1 0図に示すように配置されているシングルモード光ファイバ 8の長手方向に延びる円筒曲面の一部のようなものであってもよい。要するに曲面 1 0 aは圧電素子部 Aの形状に合わせて賦形されている。

この外部変調器はつぎのように動作する。

まず、圧電素子部 Aで発生する弾性波が例えば 2 0 0 M H z程度の高周波の場合には、発生する弾性波は平面波とみなすことができる。圧電素子部 Aから支持基板 6 内を直進する弾性波は接合面 1 0 aで反射，屈折を起こし、その際の入射角，屈折角は 2つの媒質 6 c , 6 dの弾性波の伝搬速度で定まる。第 8図で示したように、媒質 6 dより媒質 6 cの弾性波の伝搬速度を高くし、両媒質の接合面 1 0 aの形状を媒質 6 c側に凸の曲面 1 0 a にしておくと、弾性波はシングルモード光フアイバ 8 に向けて矢印のように集束しそのコア 8 bに向かって集中するようになる。

したがって直流光源からシングルモ一ド光フアイバ 8 に光を入射し、下部電極 2と上部電極 4の間に所定周波数の電圧を印加すると、圧電素子部 Aから発生する弾性波が支持基板 6中を伝搬するうちに集束されてコア 8 b に向かって集中していくので、シングルモード光フアイバ 8内を通過する光を極めて効率よく変調することがで

きる

なお、この外部変調器の場合、支持基板 6内の接合曲

面 1 0 aの曲率を適宜に選定することにより、弾性波の

集束の精度をやや落し、シングルモード光ファイバ 8の ' 取付け精度の公差をゆるくすることも可能である。

第 1 1図は、支持基板 6が、弾性波の伝搬速度が高い

媒質 6 cをシングルモ一ド光フアイバ 8側に、弾性波の

伝搬速度が低い媒質 6 dを圧電素子部 A側に配置して構

成されている場合の外部変調器を示す断面図である。

この場合は、圧電素子部 Aの直下に位置する両媒質の

接合面 1 0 aは、媒質 6 c側に凸の曲面として形成され

る。このことにより、圧電素子部 Aで発生した弾性波を

効率よくシングルモード光フアイバ 8のコア 8 bへ集束

させることが可能になる。

第 1 2図は、第 1の態様の外部変調器において、シン

グルモ一ド光フアイバ 8のコアに弾性波を効率よく集束

するこどができる別の例の外部変調器を示す断面図であ

る o

この外部変調器の支持基板 6においては、圧電素子部

Aが形成されている面 6 aの反対側の面 6 bの前記圧電

素子部 Aの直下に、配置されるシングルモード光フアイ

バ 8の配置方向に延び、そのシングルモード光ファイバ

8の曲率よりも若干大きい曲率を有する溝 1 1が形成されている。

支持基板 6 としては、配置されるシングルモード光フアイバ 8のクラッド層 8 aの音響インピーダンスと略同じ音響インピーダンスを有し、かつ、弾性波の伝搬速度はシングルモード光ファイバ 8内におけるそれよりも大きい値を有する媒質、例えばアルミニゥムゃシリコン単結晶で構成されている。

また、上記した溝 1 1 は、公知の機械加工によって刻設してもよく、または、化学的なエッチングによって刻

BXししもよい。

この溝 1 1 の中にシングルモード光ファイバ 8が収容配置される。そのとき、溝 1 1の内周面とシングルモード光フアイバ 8の外周面とは、クラッド層 8 aの音響ィンピーダンスと近似した音響インピーダンスを有する前記した物質を介して接着されることにより、音響的に接合，固定される。ここでいう音響的とは両者の音響インピーダンスが略等しいことをいう。

なお、溝 1 1へのシングルモード光ファイバ 8の収容と固定に関しては、上記したように溝 1 1 との界面での接着固定であってもよいが、それに加えて更に、シングルモード光フアイバ 8の残余の外周を、第 5図〜第 7図で示したように、上記した物質で被覆してもよい。このようにすると、シングルモード光ファィノく 8の固定を確' 実にすることができて好適である。つぎに、この外部変調器において、溝 1 1の内周面とシングルモード光フアイバ 8の外周面との界面における弾性波の挙動を説明する。

第 1 3図は支持基板 6を伝搬してきた弹性波がシングルモード光ファイバ 8に入射する状態を示す。圧電素子部 Aで発生した弾性波の駆動周波数が高い場合は、発生した弾性波は支持基板 6の中を直進するが、そのとき、シングルモード光フアイバ 8の外周面と溝 1 1の内周面との界面における弾性波の屈折に関しては、光の場合と同様にスネルの法則が成立する。

ここで、支持基板 6中を伝搬する弾性波の伝搬速度を V i , 入射角 0 ! 、シングルモード光ファイバ 8中を伝搬する弾性波の伝搬速度を ₂ ，出射角 ₂ とすると、 V 1 s i n Θ 2 = u 2 s i n ^！となる。した力つて、 V I が ₂ よりも大きい場合、弾性波は第 1 4図の矢印で示したように、シングルモード光ファイバ 8の曲率よりもやや大きいところに弾性波が集束することになり、シングルモ一ド光ファィバ 8中のコア 8 bを伝搬する光をかなり効率よく変調することができることになる。更には、第 1 5図で示したように、支持基板 6の溝 1 1の形状をシングルモード光ファィバ 8の曲率よりもやや小さくし、そのことにより、溝 1 1とそこに収容したシングルモード光ファイバ 8との間に形成される空隙部をマッチングオイル 1 1 aなどで満たしたのち、このシングルモード光ファイバ 8を物質 9で固定することによつてもコア 8 bに弾性波を集束することができる。

第 1 6図と第 1 6図の XVI I— XVI I線に沿う断面図である第 1 7図に示す外部変調器は、第 5図〜第 7図で示した基本構成の第 1の態様の外部変調器において、圧電素子部 Aの上部電極が複数個（図では 2個）配置されているものである。

このような構造にすると、各上部電極 4 a， 4 bごとに情報源である変調信号出力部から内容の異なる変調信号を入力して 1個の外部光変調器で多く（上部電極の数と同じ数）の情報を送ることができる。

また、各上部電極 4 a , 4 bの面積を適宜に変化させることにより、各変調信号における周波数帯域を変化させることができるので、 1個の外部変調器で多数の情報を伝送することができるようになる。したがって、複数の外部変調器を使用する場合に比べて、変調システムの占有スペースを狭くすることができる。

また、第 1 8図および第 1 8図の X I X— XI X 線に沿う断面図である第 1 9図に示す外部変調器は、圧電素子部 Aにおいて、下部電極 2が共通配置され、この下部電極 2の上に複数個（図では 2個）の圧電薄膜 3 a， 3 が形成され、これら圧電薄膜の上にそれぞれ上部電極 4 a， 4 bが形成されているものである。

この構造の場合も、第 1 6図，第 1 7図で示した外部変調器の場合と同じ効果を奏することができる。

第 2 0図および第 2 0 ®の XXI— XXI 線に沿う断面図

である第 2 1図に示した外部変調器は、第 5図〜第 7図

で示した基本構成において、圧電素子部 Aにおける圧電

薄膜 3の膜厚を、配置されているシングルモード光ファ - ィバ 8の配置方向に沿って一定の割合で変化させたもの

である。すなわち、圧電薄膜 3の膜面とシングルモード

光ファイバ 8の長手方向との間では、相対的に傾斜面が

形成されている外部変調器である。

この外部変調器の場合、圧電薄膜 3の膜厚に対応する

弹性波の周波数領域において、弾性波の振幅の減衰を小

さく抑えることが可能となり、その結果、変調周波数の

帯域幅を広域化することができるという効果が得られる。

この場合、圧電薄膜の膜厚変化の程度は変調する光の

波長の周波数によっても異なってくるが、概ね配置され

たシングルモ一ド光ファィバ 8の長手方向においてその

勾配が 4. 0 ~ 5. 0 X 1 0一⁴の範囲内に調整されているこ

とが好ましい。

次に、本発明の外部変調器における第 2の態様は、第

2 2図で示したように、上部電極 2の上にシングルモー

ド光ファイバ 8を配置して、その外周を前記した物質 9

で被覆，固定した構造のものである。

この場合も、第 1の態様の場合と同じように、シング

ルモ一ド光ファィバ 8の外周はそのクラッド層 8 aと音響ィンピーダンスが近似する物質で被覆されているので、光フアイバの外周における弾性波の反射は起こらず光フアイバ内での共鳴現象を解消できフラッ卜な周波数特性を得ることができる。

また、この構造の外部変調器において、第 2 3図で示したように、支持基板 6の表面のうち、圧電素子部 Aが形成されていない方の面 6 bを粗面にすると、圧電素子部 Aで発生した弾性波のうち支持基板 6内を伝搬した弾性波は、この粗面 6 bで散乱することになり、その結果、支持基板 6内における弾性波の共鳴を防止することができるので好適である。

この場合、粗面の粗さは、 J I S B 0 6 0 1で規定する中心線平均粗さ（R a ) が支持基板内を伝搬する弾性波の波長以上の値であることが好ましい。例えば、支持基板が石英ガラス板から成り、圧電素子部 Aへの印加周波数が 4 0 0 M H zの場合、粗面の R aを 1 5 〃 m にすると好適である。

このような粗面は、例えば粒径数十^ mの砥粒を用いて研磨することによつて形成することができる。

なお、この構造の外部変調器においても、第 1 6図〜第 1 9図で示したように、圧電薄膜 3の上に複数個の上部電極を形成し、または下部電極 2の上に複数個の圧電薄膜を成膜し、更にそれぞれに上部電極を成膜し、各上' 部電極の上にシングルモ一ド光フアイバを配置することにより、 1個の外部変調器による多数の情報伝送を実現することができる。また、第 2 0図，第 2 1図で示したように、圧電薄膜の膜厚を、配置するシングルモード光フアイバの長手方向に一定の割合で傾斜して形成することにより変調周波数の帯域幅の広域化を実現することができる。

また、第 2 4図で示したように、支持基板 6の一方の面 & aには均一な膜厚で下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4を順次積層して圧電素子部 Aを形成し、他方の面 6 bを、配置されているシングルモード光フアイバ 8の長手方向と直交する方向に一定の割合で傾斜する傾斜面とすることにより、圧電素子部 Aで発生した弾性波のうち支持基板 6内を伝搬した弾性波は、破線で示したように、この傾斜面 6 bで反射することにより同じ方向への戻りが防止でき、その結果、支持基板 6内における弾性波の共鳴を防止することができる。

以上の第 1の態様，第 2の態様の外部変調器は、いずれも、シングルモード光ファイバが支持基板または上部電極の表面に接合固定されているだけであるので、実使用時に、何らかの外力でその接合が損傷する虞れもある。

そのため、これらの外部変調器においては、第 2 5図で示したように、基台 1 2と、この基台 1 2の上部に配置され、ばね 1 3 a , 1 3 aで付勢される押えプレート 1 3 bを備え、ねじ 1 3 c， 1 3 cを調節することにより、上下方向に昇降可能な押圧部 1 3とから成る押圧手段の前記基台 1 2に、シングルモード光フアイバ 8側を上にして外部変調器をセッ卜し、ねじ 1 3 c， 1 3 cを調節して押圧部 1 3を降下させることにより、ばね 1 3 a， 1 3 aの付勢力で例えばシリコーンラバー 1 4を介してシングルモード光フアイバ 8を弾性的に押圧する。このようにすると、シングルモード光ファイバ 8を安定した状態で保持することができるので好適であり、更に、光ファイバと支持基板がより密接するため効果を高めることができる。

本発明の外部変調器における第 3の態様は、支持基板の中に、直接、光の伝送路を内蔵させたものである。

このような外部変調器としては、第 2 6図および第 2 6図の XXVI I— XXVI I 線に沿う断面図である第 2 7図で示したように、内蔵される光伝送路が光導波路 6 eであり、支持基板 6の片面に圧電素子部 Aを形成した構造のものをあげることができる。

この外部変調器は、例えば S i基板 6 f の上に常法の火炎堆積法によって石英ガラスから成るクラッド層，コァ層を順次積層したのち、コア層の一部をドライエッチングして除去し、所定の断面形状の導波路 6 eを長手方向に形成し、更に、この導波路 6 eをクラッド層 6 gで埋設したものを支持基板 6とし、この支持基板の一方の面に圧電素子部 Aを形成して製造される。この構造においては、この導波路 6 eが光の伝送路となり、ここを伝搬する光はこの直上に位置する圧電素子部 Aの働きによって変調される。

また、第 2 8図で示したように、支持基板 6を石英ガラスで製造するに際して、型内に石英ガラスの粉末を所定量充塡したのち、そこにシングルモード光フアイバ 8 を配置し、その上から再び石英ガラスの粉末を充塡して全体を加圧しながら焼成してガラス化することにより支持基板 6内にシングルモ一ド光フアイバ 8を光伝送路として一体的に内蔵することができる。そして、この支持基板 6の一方の面に圧電素子部 Aを形成することにより、第 3の態様の外部変調器にすることができる。

なお、この構造の外部変調器においても、第 1 6 '図〜第 1 9図で示したように、圧電薄膜 3の上に複数個の上部電極を形成し、または下部電極 2の上に複数個の圧電薄膜を成膜し、更にそれぞれに上部電極を成膜し、それらに対応して光伝送路を支持基板に内蔵させることにより、 1個の外部変調器による多数の情報伝送を実現することができる。また、第 2 0図，第 2 1図で示したように、圧電薄膜の膜厚を、内蔵されている光伝送路の長手方向に一定の割合で傾斜して形成することにより変調周波数の帯域幅の広域化を実現ずることができる。

図面の簡単な説明 ' 第 1図は、外部変調器の従来例を示す斜視図；第 2図は外部変調器の他の従来例を示す斜視図；第 3図は外部変調器の別の従来例を示す斜視図；第 4図は従来の外部変調器の周波数特性を示すグラフ；第 5図は本発明の外部変調器の一方の面の状態を示す斜視図；第 6図は本発明の外部変調器の他方の面の状態を示す斜視図、第 7図は第 5図の VI I— VI I 線に沿う断面図；第 8図は本発明はの外部変調器の他の例を示す断面図；第 9図は第 8図の外部変調器における媒質接合面の例を示す斜視図；第 1 0図は第 8図の外部変調器における媒質接合面の他の例を示す斜視図；第 1 1図は本発明の外部変調器の別の例を示す断面図；第 1 2図は本発明の更に別の例を示す断面図；第 1 3図は第 1 2図の外部変調器における支持基板を伝搬してきた弾性波がシングルモード光ファイバに入射する状態を示す説明図；第 1 4図は第 1 2図の外部変調器において支持基板中の弾性波の伝搬速度がシングルモード光ファイバ中の弾性波の伝搬速度よりも大きい場合の弾性波の挙動を示す説明図；第 1 5図は弾性波が第 1 4図とは異なる別の挙動を示す場合の説明図；第 1 6図は本発明の外部変調器の別の例を示す平面図；第 1 7図は第 1 6図の XVI I— XVI I線に沿う断面図；第 1 8 図は本発明の外部変調器の他の例を示す平面図；第 1 9 図は第 1 8図の XI X— XIX 線に沿う断面図；第 2 0図は本発明の更に別の外部変調器の例を示す側面図；第 2 1 図は第 2 0図の XXI— XXI 線に沿う断面図；第 2 2図はは本発明の外部変調器の他の態様を示す斜視図；第 2 3 図は第 2 2図の外部変調器における他の例を示す断面図；第 2 4図は第 2 2図の外部変調器における別の例を示す側面図 ;第 2 5図は本発明の外部変調器の押圧手段を示す断面図；第 2 6図は本発明の外部変調器の更に別の態様の例を示す側面図 ;第 2 7図は第 2 6図の XXVI I— XX VI I 線に沿う断面図；第 2 8図は本発明の外部変調器の更に別の態様の他の例を示す斜視図；第 2 9図は外部変調器の変調出力の測定系を示すプロック図；第 3 0図は本発明の実施例 4におけるシングルモード光フアイバの溝内への固定状態を示す断面図 ;第 3 1図は実施例 6の外部変調器の周波数特性を示すグラフ；である。

実施例

実施例 ί

厚み 1 mmの石英ガラス板 6の一方の面 6 aに A 1をスパッタして下部電極 2とし、その上に Z n Oをスパッタして厚み 5 i inの圧電薄膜 3とし、更にその上に A 1をスパッ夕して上部電極を形成した。そして石英ガラス板 6の他方の面 6 に、コア径 8 のシングルモード光ファイバ 8のクラッド層 8 aを配置した。ついで、ゲイ酸ソーダの中に粒径 5 mの石英ガラス粉末が分散している接着剤を配置個所の長さ 1 O mmに亘つて塗布し、室温下で乾燥放置したのち温度 1 5 0 °Cで 2時間焼成した。光フアイバ 8は石英ガラス粉末の焼成体の被覆 9で支持基板 6に一体化され、第 5図〜第 7図で示した構造の外部変調器が得られた。

この外部変調器において、支持基板 6，シングルモード光ファイノく 8の音響ィンピーダンスはいずれも 1 3. 1 X 1 0 ⁶ kg/ (m² · s )であり、また被覆 9の音響ィンピーダンスも略同じ値である。

この外部変調器の各光フアイバの端部を互いに熱融着させることによりこの外部変調器 1 0 0個を直列に接続し、その一端を光源に、他端を受信部に接続した。

光源としては波長 1. 3 3 n mの光を発する L Dを使用し、この L Dを一定強度で発光させてシングルモード光ファイバに入射させた。また、受信部は、シングルモード光ファイバに接続した偏光素子を備え、この偏光素子を通過したのち P Dで受光強度の変化を計測できるように組み立てた。

この光通信システムにおいては、 1個の外部変調器による光の損失は、シングルモード光フアイバ相互の融着による接続損失のみであって、約 0. 0 3 d Bであった。したがって、 1 0 0個全体での損失は約 3. 0 d Bであつた。

4 0 0 M H zから 5 0 0 M H zの正弦波を 1 M H zの間隔で各外部変調器に変調信号として発信し、そのときの全ての信号を受信部で計測したところ、全てを同時に' 検出することができた。実施例 2

第 8図で示した外部変調器において、媒質 6 dとして石英ガラス，媒質 6 cとしてフリントガラスを用い、支持基板の全体の厚みを 2 mm, 曲面 1 0 aの曲率半径を 1. 2 5 mm, その高ざを 0 5 mniに設定したことを除いては、実施例 1の場合と同様にして圧電素子部 Aを形成し、また同じようにしてシングルモ一ド光フアイバを配置した。

この外部変調器を、第 2 9図で示した測定系にセットし、波長 1. 3 3 n mの光に対しその変調出力を測定した。支持基板 6が全体として石英ガラスから成るものに比べて、 1 2 d B以上向上した変調出力が測定ざれた。

実施例 3

支持基板 &として A 1を用い、その一方の面に、下部電極 2，上部電極 4がそれぞれ厚み 0. 2 mの C rと A u、圧電薄膜 3が厚み 7 mの Ζ η θから圧電素子部 A を形成し、他方の面に直径が 1 2 6 mmで断面が半円形の溝 1 1を刻設し、ここに直径 1 2 5 mmのシングルモード光ファイバ 8を収容して、雨者を、実施例 1で用いた接着剤で接着したのち焼成して接着固定することにより、第 1 2図で示した構造の外部変調器を製造した。

この外部変調器を第 2 9図で示した測定系にセットし、下部電極 2と上部電極 4の間に 2 0 0 M H z程度の高周波電圧を印加し、波長 1. 3 3 n mの光に対する変調出力を測定した。弾性波の伝搬速度が光フアイバと同じ石英ガラス板を支持基板として用いて同様の溝を設けて構成された外部変調器に比べて、 1 0 d B以上の変調出力の向上が認められた。

実施例 4

支持基板 6としてシリコン単結晶の基板を用意し、そ . の片面に S i 〇₂ でエッチングマスクを形成したのち水酸化力リゥム溶液でエツチング処理を行なって、第 3 0 図で示したような断面形状の溝 1 1を刻設した。ついで、この溝 1 1の中にマッチングオイル 1 1 aを満たしたのち、ここにシングルモード光ファイノく 8を配置し、この光ファイバを第 3 0図の矢印で示したように支持基板 6 側に押圧して溝内に固定した第 3 0図で示したような構造の外部変調器にした。この外部変調器についても前記実施例 3の条件で変調出力を測定したところ、圧電素子部 Aで発生した弾性波は効率よくシングルモード光ファイノく 8のコア 8 bに集束していることが確認できた。

実施例 5

縦 2 0 mm, 橫 2 O mni, 厚み 1 mmの石英ガラス板を支持基板として用意した。

この石英ガラス板の片面に A 1を真空蒸着して厚みが約 0. 2 z mの下部電極を成膜し、更にその上に、スパッ夕法で厚み約 1 0 mの Z n 0の圧電薄膜を成膜したの' ち、その上に、 A 1を真空蒸着して幅 0. 4 a m , 長さ 1 mm, 厚み 0.2 mの短冊状の上部電極を 2本成膜して圧電素子部 Aを形成し、第 1' 6図，第 1 7図で示した構造の外部変調器を製造した。

この外部変調器の一方に、中心周波数 3 2 0 MH z , バンド幅 I MH z, 他方に中心周波数 3 4 0 MH z，バンド幅 4MH zの信号を印加して圧電薄腠 3を駆動させた。

第 2 9図に示した測定系で、検光子通過により強度変調された信号を 0 Z E変換器を通してスペクトラムアナライザで観察したところ、 2つの信号は正確に伝送されていることが確認された。

実施例 6

次のようにして、第 2 0図，第 2 1図で示した構造の外部変調器を製造した。

まず、縦 2 0腿，横 2 0 mm, 厚み 1 mmの石英ガラス板を支持基板 6として用意し、その片面に A 1を真空蒸着して厚み約 0 2 m©下部電極 2を成膜し、更にその上に、スパッタ法で Z n◦を幅約 1 0 m，長さ約 1 0蘭の短冊状に被着して圧電薄膜を成膜した。なお、この圧電薄膜 3はその上面が長手方向で約 2 X 1 0— ³の勾配を有する傾斜面になっている。

ついで、この圧電薄膜 3の上に A 1を真空蒸着して幅 i mm，長さ 1 0腿の短冊状の上部電極 4を成膜した。その後、実施例 1と同様にして、支持基板の他方の面で上記上部電極 4の直下の位置にシングルモード光ファィバ 8を配置した。

この外部変調器を第 2 9図で示した測定系にセットし、波長 1. 3 3 n mの光を用いて周波数特性の評価を行った。その結果を第 3 1図に示した。

第 3 1図から明らかなように、この外部変調器においては、圧電薄膜 3の膜厚に対応する周波数領域において弾性波の減衰は小さく、変調周波数の帯域幅の広域化が実現されている。

実施例 Ί

第 2 2図で示した構造の外部変調器を次のようにして製造した。

すなわち、実施例 1 と同様にして石英ガラス板の支持基板の片面に圧電素子部 Aを形成し、この圧電素子部 A の上部電極 4の上に実施例 1で用いた接着剤を用いてシングルモード光フアイバ 8を配置 ·固定した。

この外部変調器につき、実施例 1 と同様の方法で直列に接続して同様の試験を行った。その結果、 1 0 0個全体の損失は約 4. 8 d Bであり、また 4 0 0〜 5 0 0 M H zにおける変調信号の全てを同時に検出することができた。

実施例 8

実施例 7の支持基板において、圧電素子部 Aが形成さ' れていない方の面を粒径 4 0 mの砥粒で研磨して、表面粗さが R aで 6. 8 mの粗面にして第 2 3図で示した構造の外部変調器を製造した。

この外部変調器について、実施例 7と同様の試験を行つたところ、支持基板中の弾性波の共鳴は防止され、実施例 7の外部変調器に比べて周波数帯域が & M H z向上した。

実施例 9

実施例 7の支持基板において、圧電素子部 Aが形成さ ' れていない方の面を、シングルモード光ファィバ 8の長手方向と直交する方向に勾配 1 0。で傾斜する面にして第 2 4図で示した構造の外部変調器を製造した。

この外部変調器について、実施例 7と同様の試験を行つたところ、支持基板中の弾性波の共鳴は防止され、実施例 7の外部変調器に比べて周波数帯域が 3 M H z向上した。

実施例 1 0

第 2 6図，第 2 7図で示した構造の外部変調器を次のようにして製造した。

直径 7 6. 2 mm ( 3インチ），厚み 1匪の S i基板 6 f の上に、火炎堆積法によってクラッド層，コア層になる石英ガラス微粒子を順次堆積したのち 1 1 0 0 °Cで焼成してガラス化し、スラブクラッド層，スラブコア層を形成した。

ついで、コア層にドライエッチングを施し、幅 8 ^ m，高さ 8 z mの断面形状の導波路 6 eを長手方向に形成したのち、その上から再びクラッド層になる石英ガラス微粒子を堆積してそれをガラス化し、クラッド層 6 dに導波路 6 eが埋設された、 S i基板 6 f を除いた厚みが 5 0 〃mである支持基板とした。

そして、このクラッド層 6 dの上に実施例 1 と同様にして下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4を順次積層して圧電素子部 Aを形成した。

ついで、端面を研磨した光ファイバを導波路 6 eの両端に突き当てて光伝送路を形成した。この外部変調器につき、実施例 1 と同様に測定したところ、周波数帯域は、実施例 7の外部変調器に比べて Ί M H z以上向上していた。

実施例 1 1

第 2 8図で示した構造の外部変調器を次のようにして製造した。

深さ 1. 3 mm, 縦 2 0 mm, 横 2 O mmの金型内に、粒径 3 〜 5 mの石英ガラス粉末を約半分の深さまで充塡し、その上に外径 1 2 5 〃 mのシングルモード石英ガラス光フアイバを配置したのち、その上から再び石英ガラス粉末を金型内に充填した。

常温下で厚み方向に 1 0 0 0 kg/cm²の圧で加圧し、厚み 1. 2 mm, 縦 ·橫 2 0 mmで厚み方向の中央付近に光ファィバが位置する基板を得た。これを常圧下において 1 3 0 0 °Cで焼成し、縦 *模 2 0 ram, 厚み I. 0 mmの支持基板の中にシングルモード光ファイバ 8を一体化させた。

この支持基板 6の上に実施例 1と同様にして下部電極 2，圧電薄膜 3，上部電極 4を順次積層して圧電素子部 Aを形成した。

この外部変調器につき、実施例 1 0と同様の試験を行つたところ、略同じような結果が得られた。

産業上の利甩可能性

本発明の外部変調器は、挿入損失が小さく、フラットな周波数特性をもち、高周波変調でも使用可能であり、多数の情報を伝送することができ、光ファィバ内における弾性波の共鳴が抑制ざれ、弾性波を効率よく光フアイバに集束することができ、そして製造が容易であるため、光通信の外部変調器として有用である。

Claims

請求の範囲

. 下記から成る光通信用外部変調器：

前記支持基板の一方の面に、下部電極，圧電薄膜， '上部電極をこの順序で積層して成る圧電素子部；

前記支持基板の他方の面に配置された少なくとも 1本のシングルモード光フアイバ；および、

前記シングルモード光フアイバの配置個所の少なくとも一部分では前記シングルモード光フアイバを被覆し、かつ、前記シングルモード光ファイバのクラッド層と近似した音響ィンピーダンスを有する物質。

. 前記支持基板は、弾性波の伝搬速度が異なる複数の媒 . 質を接合して成り、かつ、その接合面には、前記圧電素子部から放射された弾性波を前記シングルモード光ファィバに向けて集束する曲面が形成されているクレーム 1 の光通信用外部変調器。

. 前記支持基板には、配置されるシングルモード光ファィバを収容するための溝が刻設され、かつ、前記支持基板は、そこを伝搬する弾性波の伝搬速度が前記シングルモード光フアイバにおける弾性波の伝搬速度よりも大きい媒質から成るクレーム 1の光通信用外部変調器。

. 前記シングルモード光フアイバを被覆する物質がセラミックスであるクレーム 1の光通信用外部変調器。

5 . 前記上部電極が、圧電薄膜の上に複数個設けられているクレーム 1の光通信用外部変調器。

6 . 前記圧電薄膜の膜厚が、前記シングルモード光フアイバの長手方向に一定の割合で厚み変化しているクレーム 1の光通信用外部変調器。

7 . 前記支持基板と前記シングルモード光フアイバを弾性的に押圧する手段を備えているクレーム 1の光通信甩外

8 . 下記から成る光通信用外部変調器：

配置されるシングルモード光ファイバのクラッド層と略同じ音響インピーダンスを有する支持基板；

前記上部電極の上に配置される少なくとも 1本のシングルモード光ファイバ；および、

前記シングルモード光フアイバの配置個所の少なくとも —部分では前記シングルモード光フアイバを被覆し、力、つ、前記シングルモード光フアイバのクラッド層と近似した音響ィンビーダンスを有する物質。

9 . 前記シングルモード光ファイバを被覆する物質がセラミックスであるクレーム 8の光通信用外部変調器。

10. 前記上部電極が圧電薄膜の上に複数個設けられているクレーム 8の光通信用外部変調器。

11. 前記支持基板の他方の面が粗面になっているクレーム 8の光通信用外部変調器。

12. 前記支持基板の他方の面は、前記圧電薄膜の膜面に対し、配置されたシングルモード光フアイバの長手方向に傾斜する面になっているクレーム 8の光通信用外部変調

13. 下記から成る光通信用外部変調器：

光伝送路を内蔵し、かづ、前記光伝送路と略等しい音響ィンピーダンスを有する媒質から成る支持基板；前記支持基板の一方の面に、下部電極，圧電薄膜，上部電極をこの順序で積層して成る圧電素子部。

14. 前記上部電極が圧電薄膜の上に複数個設けられているクレーム 1 3の光通信用外部変調器。

15. 前記圧電薄膜の膜厚が、前記光伝送路の長手方向と直交する方向に一定の割合で厚み変化しているクレーム 1 3の光通信用外部変調器。

16. 前記支持基板の他方の面が粗面になっているクレーム 1 3の光通信用外部変調器。