JP3438443B2 - 光デバイス - Google Patents

光デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光デバイスに関
し、より具体的には光通信における光ソリトン・パルス
のような極短光パルスの発生及び光位相変調に利用可能
な高速光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体光素子は集中定数素子と考えら
れ、これに対して、高速光学素子（例えば、リチウム・
ニオブ系など）は分布定数素子と考えられている。高速
光学素子には素子自体に又は素子と一体に信号伝送路を
作りこめるが、半導体光素子の場合、未だ素子と一体に
信号伝送路を作りこむのは困難である。半導体光素子の
信号伝送路としては、数十ＧＨｚオーダーの非常に高い
周波数領域であることから、通常、コプレーナ型高周波
線路又はマイクロストリップ高周波線路などの分布定数
線路が用いられる。
【０００３】半導体光素子を用いた従来の位相変調装置
の外観斜視図を図６に示す。図６に示す従来例では、イ
ンピーダンスを５０Ωに整合したコプレーナ型高周波線
路により、半導体光変調素子が駆動される。基板１０の
信号線路１２上に半導体光変調素子１４を接着し、光変
調素子１４の上面の電極をボンディング・ワイヤ１６を
介して、信号線路１２と同じ面の接地線路１８に接続し
ていた。信号線路１２の一方の端と接地線路１８との間
に高周波信号源２０が接続される。信号線路１２の他端
と接地線路１８との間は終端抵抗２２で終端されてい
る。
【０００４】図７は従来例の周波数応答特性を示す。縦
軸は応答を示し、横軸は周波数を示す。直流からほぼ平
坦な応答特性を示し、ある周波数ｆｃから急激に応答特
性が低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来例では、遮断周波
数ｆｃは、高周波線路のインピーダンスと光変調素子１
４の静電容量の積で決まる。光変調素子１４の静電容量
は例えば、０．３ｐＦ程度であるので、ｆｃは約２０Ｇ
Ｈｚとなる。光ファイバの利用可能な帯域を考慮する
と、より高い周波数まで駆動できることが望まれる。
【０００６】本発明は、より高い周波数まで応答可能な
光デバイスを提示することを目的とする。
【０００７】また、従来例では、光変調素子１４に印加
される電圧は、平坦な応答特性部分で、高周波線路への
入力電圧と一致する。従って、光変調素子１４により高
い電圧を印加しようとすれば、高周波線路の入力電圧を
高くするしかない。
【０００８】本発明はまた、従来例よりも入力電圧を低
くできる光デバイスを提示することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明では、光素子を外
部伝送路に接続する高周波線路の信号線路を、外部伝送
路の特性インピーダンスから光素子のインピーダンスの
間で段階的に特性インピーダンスが異なる複数の線路部
分に区分し、各線路部分の長さを、それぞれの管内波長
の１／４の整数倍に相当する長さとする。例えば、各線
路部分の線路幅等を変えて、特性インピーダンスを段階
的に変える。
【００１０】各線路部分の長さを、それぞれの管内波長
の１／４の整数倍に相当する長さとしたことにより、各
線路部分の境界での反射を理論的にゼロにすることがで
き、より高い周波数でもロス無しで又は少ないロスで信
号を伝送できるようになる。
【００１１】また、インピーダンスを段階的に変化させ
ることで、例えば、高いインピーダンスの光素子も効率
的に駆動できる。入力段での電圧よりも高い電圧を光素
子に印加できるので、入力段の電圧を下げることができ
る。
【００１２】更には、外部からの入力光を当該光素子に
導く光入力手段と、上記高周波線路に外部伝送路を接続
する接続手段とを設けることで、受信光処理モジュール
とするのに適した構成とすることができる。光入力手段
は、好ましくは、外部からの入力光を導光する入力用導
光手段と、当該入力用光導光手段により導光された光信
号を当該光素子の所定箇所に入力する入力用レンズ素子
とからなる。
【００１３】更には、上記光素子の出力光を外部に出力
する光出力手段と、上記高周波線路に外部伝送路を接続
する接続手段とを設けることで、光出力モジュールとす
るのに適した構成とすることができる。光出力手段は、
好ましくは、外部に光信号を導光する出力用導光手段
と、当該光素子の出力光を当該出力用導光手段に入力す
る出力用レンズ素子とからなる。
【００１４】更には、外部からの入力光を当該光素子に
導く光入力手段と、上記光素子の出力光を外部に出力す
る光出力手段と、上記高周波線路に外部伝送路を接続す
る接続手段とを設けることで、入力光を処理（例えば、
変調）して出力する光モジュールとするのに適した構成
とすることができる。好ましくは、光入力手段は、外部
からの入力光を導光する入力用導光手段と、当該入力用
光導光手段により導光された光信号を当該光素子の所定
箇所に入力する入力用レンズ素子とからなり、光出力手
段は、外部に光信号を導光する出力用導光手段と、当該
光素子の出力光を当該出力用導光手段に入力する出力用
レンズ素子とからなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
一実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】図１は、本発明の一実施例であって、マイ
クロストリップ高周波線路を用いた光変調デバイスの外
観斜視図を示し、図２は、その平面図を示す。誘電率が
６．４で、厚さが２．５ｍｍのセラミック基板４０の表
面には信号線路４２となる導体層が接着され、裏面には
接地線路４４となる導体層が接着されている。信号線路
４２の先端にはヒートシンク付きの半導体光変調素子４
６が電気的に接着されている。本実施例では、光変調素
子４６は、インピーダンスが５ｋΩのＩｎＧａＡｓＰ電
気吸収型光変調素子である。なお、図１には、ヒートシ
ンクと半導体光変調素子４６を一体に図示してある。
【００１７】光変調素子４６の近傍の、基板４０の表面
には、接地電極４８が設けられ、接地電極４８と光変調
素子４６の表面電極との間は、ボンディング・ワイヤ５
０で接続される。接地電極４８は、基板４０の裏面の接
地線路４４を構成する導体層を基板４０の側面をまわし
て表面の一部まで延長して形成される。
【００１８】光変調素子４６の駆動信号を発生する高周
波信号源５２が、同軸ケーブルその他の高周波伝送手段
を介して接地線路４４と信号線路４２に接続される。
【００１９】信号線路４２は、図２により明瞭に図示し
てあるように、２つの線路部分４２ａ，４２ｂからな
る。広帯域の光通信では、一般に５０Ω系が使用される
ので、高周波信号の入力側である第１の線路部分４２ａ
は、特性インピーダンスが５０Ωになるように、その幅
Ｗ１が設定される。なお、７５Ω系の場合には、特性イ
ンピーダンスが７５Ωになるように幅Ｗ１を設定すれば
よい。線路部分４２ａの長さＬ１は、無反射で第２の線
路部分４２ｂに結合できるように管内波長のｎ／４（ｎ
は１以上の整数であり、通常では１乃至６が適当であ
る。）とする。具体的には、線路部分４２ａの幅Ｗ１を
３．５ｍｍ、長さＬ１を３．５ｍｍとした。
【００２０】また、第２の線路部分４２ｂでは、光変調
素子４６のインピーダンスと第１の線路部分４２ａのイ
ンピーダンスの中間的なインピーダンスとなるように、
その幅Ｗ２を設定する。線路部分４２ｂの長さＬ２は、
線路部分４２ｂの開放されている先端で無反射となるよ
うに、線路部分４２ｂの管内波長のｍ／４（ｍは１以上
の整数であり、通常では１乃至６が適当である。）とし
た。具体的には、第２の線路部分４２ｂの特性インピー
ダンスを１２５Ωとし、幅Ｗ２を０．３ｍｍ、長さＬ２
を３．７ｍｍとした。線路部分４２ｂの先端には光変調
素子４６が接続されているので、線路部分４２ｂは厳密
には開放端となっていないが、インピーダンスの相違か
らは実質的には開放端と看做し得る。先端に素子（ここ
では、素子４６）が接続されていることにより、長さＬ
２を適宜の調整することがありうることはいうまでもな
い。
【００２１】図１に示すデバイスの動作を簡単に説明す
る。高周波信号源５２が出力する高周波信号は信号線路
４２に印加される。信号線路４２の入力側の線路部分４
２ａの特性インピーダンスが５０Ωであり、高周波信号
源５２との間の伝送路の特性インピーダンス５０Ωに合
致するので、高周波信号源５２からの高周波信号は、実
質的に無反射で線路部分４２ａに入力し、伝搬する。線
路部分４２ａの長さをその管内波長の１／４の整数倍と
したので、線路部分４２ａと線路部分４２ｂの特性イン
ピーダンスが相違しても、線路部分４２ａと線路部分４
２ｂの境界部分での反射は理論的にはゼロになり、線路
部分４２ａを伝搬する高周波信号は、そのまま線路部分
４２ｂに入力する。
【００２２】線路部分４２ｂを伝搬した高周波信号は、
光素子４６に印加される。但し、線路部分４２ｂの長さ
をその管内波長の１／４の整数倍としたことで、光素子
４６のイピーダンスが線路部分４２ｂの特性インピーダ
ンスと相違しても、線路部分４２ｂと光素子４６との接
続部分での反射を理論的にはゼロにできる。
【００２３】もちろん、線路部分４２ａと線路部分４２
ｂとの境界、及び線路部分４２ｂと光素子４６の接続部
で、製造誤差などにより、実際には多少の反射が起こり
得るが、大きな反射が生じない。
【００２４】理論的には無反射で特性インピーダンスの
異なる線路部分４２ａから線路部分４２ｂに高周波信号
が伝搬することで、線路部分４２ｂでは高周波信号の振
幅が線路部分４２ａにおける振幅より大きくなり、光素
子４６には、信号線路４２への入力の振幅よりも大きな
振幅の電圧が印加される。
【００２５】本実施例では、信号線路４２を２つの線路
部分４２ａ，４２ｂに分けたが、３つ以上に区分しても
よいことは明らかである。即ち、各線路部分の特性イン
ピーダンスが段階的に光素子４６のインピーダンスに近
付くように、各線路部分の特性インピーダンスを設定
し、且つ、各線路部分の長さをそれぞれの管内波長の１
／４の整数倍にすればよい。
【００２６】図３は、本実施例の周波数特性を示す。Ｄ
Ｃ近傍で得られる周波数応答よりも大きな応答が、１０
ＧＨｚ毎に、３０ＧＨｚ以上でも得ることが出来る。こ
のような特性は従来例では不可能であった。また、信号
線路４２に振幅２Ｖの高周波信号（周波数は、１０ＧＨ
ｚ）を印加したとき、光素子４６には振幅２０Ｖの電圧
が印加された。本実施例における電圧増幅作用が確認さ
れた。
【００２７】図４は、図１及び図２に示す実施例をデバ
イス化した構成の平面図を示す。図１及び図２に示す部
材と同じ要素には、同じ符号を付してある。図１に示し
たデバイス６０と、光ファイバ６２からの入力光をデバ
イス６０の光変調素子４６に集光して入力するレンズ６
４及び光変調素子４６の出力光を光ファイバ６６に集光
して入力するレンズ６８をベース７０上に固定し、これ
らを密閉するようにケース７２を被せてある。光ファイ
バ６２の光出力端及び光ファイバ６６の光入力端は、所
定の位置でケース７２に固定されている。また、デバイ
ス６０の信号線路４２と接地線路４４には、所定長さの
同軸ケーブル７４が、既知の結合構造により電気的に接
続されている。
【００２８】光ファイバ６２，６６の先端は、通常であ
れば光軸に垂直な平坦面にされるが、球状としてもよ
い。即ち、光ファイバ６２，６６として先球ファイバを
用いてもよく、その場合、レンズ６４，６８は光ファイ
バ６２，６６に一体化されていると看做すことが出来
る。
【００２９】更には、レンズ６４，６８の機能の全部又
は一部が光素子４６の端部に作り込まれていてもよい。
レンズ６４，６８の機能の全部が光素子４６の端部に作
り込まれている場合、外形的にはレンズ６４，６８は不
要になる。
【００３０】本発明は、コプレーナ型高周波線路にも適
用できる。図５は、コプレーナ型高周波線路に適用した
実施例の斜視図を示す。セラミック基板８０の表面に、
信号線路８２となる導体を接着すると共に、信号線路８
２の両側に接地線路８４，８６となる導体を接着又は形
成してある。信号線路８２の先端にヒートシンク付きの
半導体光変調素子８８を接続又は形成してある。図５で
も、図１と同様に、ヒートシンクと半導体光変調素子８
８を一体に図示してある。光変調素子８８の上面の電極
はボンディング・ワイヤ９０を介して接地線路８４（又
は８６）に接続する。高周波信号源９２が、同軸ケーブ
ルその他の高周波信号伝送手段を介して信号線路８２と
接地線路８４，８６に接続する。
【００３１】図１及び図２に示す実施例と同様に、信号
線路８２を、高周波信号の入力側の線路部分８２ａと、
光素子８８を接続する線路部分８２ｂとに分け、線路部
分８２ａの長さＬ１をその管内波長の１／４の整数倍と
し、線路部分８２ｂの長さＬ２をその管内波長の１／４
の整数倍とする。また、線路部分８２ａの特性インピー
ダンスが５０Ωになるように、線路部分８２ａの幅Ｗ１
と接地線路８４，８６との間のギャップ長Ｇ１を設定
し、線路部分８２ｂの特性インピーダンスが５０Ωと半
導体光素子８８のインピーダンスの中間的な値になるよ
うに、線路部分８２ｂの幅Ｗ２と接地線路８４，８６と
の間のギャップ長Ｇ２を設定する。
【００３２】コプレーナ型高周波線路でも、基板８０の
底面の一部又は全体に接地電極が接着されていることも
ある。
【００３３】図５に示す実施例においても、その動作
は、図１に示す実施例と同じであるので、説明を省略す
る。
【００３４】本発明はまた、光素子４６，８８のインピ
ーダンスが、高周波信号源又は受信信号処理回路との間
の伝送路の特性インピーダンスに比べて高い場合に、最
も有効である。高周波信号源又は受信信号処理回路との
間の伝送路の特性インピーダンスより低いインピーダン
スの光素子に対しては、その光素子に直列に抵抗素子を
挿入して、特性インピーダンスと整合させればよいから
である。
【００３５】光素子４６，８８として半導体光変調素子
の実施例を説明したが、その他に、種々の光素子、例え
ば、受光素子、光スイッチ、光増幅素子及び半導体レー
ザであってもよい。
【００３６】
【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、より高い周波数まで光素子を利用
できるようになり、数十ＧＨｚオーダーでの光通信の実
現に寄与できる。
【００３７】また、本発明では、例えば光素子を高周波
信号で駆動する場合に、入力の高周波信号の電圧振幅よ
りも高い電圧が光素子に印加されるので、入力の高周波
信号の電圧振幅を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マイクロストリップ高周波線路を用いる本発
明の一実施例の外観斜視図である。
【図２】 図１に示す実施例の平面図である。
【図３】 図１及び図２に示す実施例の周波数応答特性
図である。
【図４】 本実施例を光変調デバイス化した構成の平面
図である。
【図５】 コプレーナ型高周波線路を用いる本発明の別
の実施例の斜視図である。
【図６】 コプレーナ型高周波線路を用いる従来例の斜
視図である。
【図７】 従来例の周波数応答特性図である。
【符号の説明】
１０：コプレーナ型高周波線路の基板 １２：信号線路 １４：半導体光変調素子 １６：ボンディング・ワイヤ １８：接地線路 ２０：高周波信号源 ２２：終端抵抗 ４０：セラミック基板 ４２：信号線路 ４２ａ，４２ｂ：線路部分 ４４：接地線路 ４６：（ヒートシンク付き）半導体光変調素子 ４８：接地電極 ５０：ボンディング・ワイヤ ５２：高周波信号源 ６０：デバイス ６２：光ファイバ ６４：レンズ ６６：光ファイバ ６８：レンズ ７０：ベース ７２：ケース ７４：同軸ケーブル ８０：セラミック基板 ８２：信号線路 ８４，８６：接地線路 ８８：（ヒートシンク付きの）半導体光変調素子 ９０：ボンディング・ワイヤ ９２：高周波信号源 ８２ａ，８２ｂ：線路部分

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光素子と、当該光素子を外部伝送路に接
    続する高周波線路とからなる光デバイスであって、当該
    高周波線路の信号線路が、当該外部伝送路の特性インピ
    ーダンスから当該光素子のインピーダンスの間で段階的
    に特性インピーダンスが異なる複数の線路部分からな
    り、各線路部分の長さが、それぞれの管内波長の１／４
    の整数倍に相当する長さであることを特徴とする光デバ
    イス。
  2. 【請求項２】 上記複数の線路部分は、それぞれの特性
    インピーダンスに応じてその線路幅等が異なる請求項１
    に記載の光デバイス。
  3. 【請求項３】 上記光素子が上記高周波線路の上記信号
    線路の先端に接続される請求項１又は２に記載の光デバ
    イス。
  4. 【請求項４】 上記光素子が上記高周波線路の接地線路
    にボンディング・ワイヤを介して接続する請求項１乃至
    ３の何れか１項に記載の光デバイス。
  5. 【請求項５】 上記線路部分が２つである請求項１乃至
    ４の何れか１項に記載の光デバイス。
  6. 【請求項６】 上記光素子が半導体光素子である請求項
    １乃至５の何れか１項に記載の光デバイス。
  7. 【請求項７】 上記高周波線路がマイクロストリップ高
    周波線路である請求項１乃至６の何れか１項に記載の光
    デバイス。
  8. 【請求項８】 上記高周波線路がコプレーナ型高周波線
    路である請求項１乃至６の何れか１項に記載の光デバイ
    ス。
  9. 【請求項９】 更に、外部からの入力光を当該光素子に
    導く光入力手段と、上記高周波線路に外部伝送路を接続
    する接続手段とを具備する請求項１乃至８の何れか１項
    に記載の光デバイス。
  10. 【請求項１０】 上記光入力手段が、外部からの入力光
    を導光する入力用導光手段と、当該入力用光導光手段に
    より導光された光信号を当該光素子の所定箇所に入力す
    る入力用レンズ素子とからなる請求項９に記載の光デバ
    イス。
  11. 【請求項１１】 更に、上記光素子の出力光を外部に出
    力する光出力手段と、上記高周波線路に外部伝送路を接
    続する接続手段とを具備する請求項１乃至８の何れか１
    項に記載の光デバイス。
  12. 【請求項１２】 上記光出力手段が、外部に光信号を導
    光する出力用導光手段と、当該光素子の出力光を当該出
    力用導光手段に入力する出力用レンズ素子とからなる請
    求項１１に記載の光デバイス。
  13. 【請求項１３】 更に、外部からの入力光を当該光素子
    に導く光入力手段と、上記光素子の出力光を外部に出力
    する光出力手段と、上記高周波線路に外部伝送路を接続
    する接続手段とを具備する請求項１乃至８の何れか１項
    に記載の光デバイス。
  14. 【請求項１４】 上記光入力手段が、外部からの入力光
    を導光する入力用導光手段と、当該入力用光導光手段に
    より導光された光信号を当該光素子の所定箇所に入力す
    る入力用レンズ素子とからなる請求項１３に記載の光デ
    バイス。
  15. 【請求項１５】 上記光出力手段が、外部に光信号を導
    光する出力用導光手段と、当該光素子の出力光を当該出
    力用導光手段に入力する出力用レンズ素子とからなる請
    求項１３に記載の光デバイス。
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