JP2003295139A5

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Publication number: JP2003295139A5
Application number: JP2002093243A
Authority: JP
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2022-03-28

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器の信号電極に主としてＲＦ電圧とＤＣ電圧とが共に印加される光変調器モジュールに関し、特に、光変調器にＤＣ電圧を印加するためのＤＣ−ＢＩＡＳポートを備えた光変調器モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速、大容量光ファイバー通信システムの進展に伴い、高周波の光パルスを安定的に発生させる光パルス発生装置が求められており、例えば、外部変調器に代表されるように、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を基板に用いた高速動作可能な光パルス発生用光変調器が実用化されている。
通常、光変調器の駆動電圧Ｖπに等しい高速パルス電圧をＲＦ電圧として印加するが、光変調の特性曲線の中点（Ｑｕａｄ点であり、最大出力と最低出力の中間点）を中心として、該ＲＦ電圧が印加されるように、ＤＣ電圧を上記ＲＦ電圧に重畳して印加する。
【０００３】
図１，２に従来の光変調器モジュールの直流バイアス電圧の印加方法を示す。なお、ここでは、Ｚ−ＣＵＴ型基板（基板の表面に垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸の方向を有する基板）を用いた光変調器を例に説明している。
図１は、ＲＦ電圧とＤＣ電圧とを重畳して信号電極に印加する場合の光変調器モジュールであり、図２は、ＲＦ電圧とＤＣ電圧とを印加する電極を分離した光変調器モジュールである。
【０００４】
図１において、１はニオブ酸リチウム（以下、ＬＮと示す）などの強誘電体結晶で、表面にＴｉ等を拡散して光導波路２から７を形成する。該光導波路の近傍に信号電極８、接地電極であるコモン電極９，１０を設け、該電極間にＲＦ信号源１１からからのＲＦ信号を、また、ＬＣ回路で構成される１２のＢＩＡＳ−Ｔのコイル側端１３を介してＤＣ電圧１４を印加する。
２０は、ＲＦコネクタで、そのセンターピンと信号電極８を接続し、また９，１０のコモン電極のＲＦ入力側の端部は、光変調器を形成する基板１を収容したケース１７の一部２１，２２に接続される。
信号電極８の他端は、ＲＦコネクタ２２のセンターピンを経由して、直流カット・コンデンサ１５、終端抵抗１６を介してケース１７などに接続し、接地する。
さらに、コモン電極９，１０の他端はケース１７の一部２３，２４に接続される。
【０００５】
図１に示す光変調器モジュールの作用を説明すると、光源からのＣＷレーザ光が、入力ファイバ１８により入射される。該入射光は入力導波路２を導波し、分岐６により２つの分岐光導波路３，４に略均等に分波される。
該分岐光導波路３，４において、それぞれが信号電極８とコモン電極９との間の電界と、信号電極８とコモン電極１０との間の電界により、位相変調を受け、合波部７において、分波された２つの光が合波されて干渉し、出力導波路５から位相変調に応じた強度変調光となって出射され、出力ファイバ１９を介して光変調器モジュールの外に取り出される。このような形状の光導波路は、マッハツェンダー型光導波路と呼ばれている。
ＲＦコネクタ２０から入力され、信号電極８を伝播するＲＦ信号と分岐光導波路３，４を伝播する光とは、その伝播速度の整合がとられ、効率的な位相変調がなされる。
外部に設けた信号源１１、ＤＣ電源１４及びＲＦ終端１６の接地電位は、ケース１７と共通する電位である。
このような回路構成の場合、高周波用途のＢＩＡＳ−Ｔ１２、直流カット・コンデンサ１５及び終端抵抗器１６は、高価であり、かつ機構的に形状が大きいという問題があった。
【０００６】
また、図２に示す光変調器モジュールは、ＲＦ電圧を印加するＲＦ電極とＤＣ電圧を印加するＤＣ電極とを分離したものである。図２においては、簡便のために基板、ケースの図示を省略している。また、ＲＦ信号源１１、ＤＣ電源１４、終端抵抗器１６は、ケース１７の外に設けられている。
分岐光導波路３，４に対して、信号電極８と接地電極であるコモン電極９，１０とにより形成されるＲＦ電極対と、ＤＣ電圧を印加される電極２５，２６によるＤＣ電極対とが、互いに独立して設けられている。
図２に示すようなＲＦ電極とＤＣ電極とを分離する構成においては、図１に示す光変調器モジュールと比較して、ＢＩＡＳ−Ｔ、直流カット・コンデンサを不要とする利点を有する反面、ＤＣ電極対を設けているため、図１以上に分岐光導波路３，４の長さが長くなり、結果として、光変調器モジュールのケース１７の寸法が長くなるという欠点を生じる。
【０００７】
さらに、図３はＲＦ電極とＤＣ電極を一体となした光変調器であり、信号電極８と接地電極であるコモン電極９，１０とで形成される電極対の終端部に、ＲＦ終端器３１を接続し、該ＲＦ終端器をケース１７内に収容した光変調器モジュールである。
ＲＦ終端器３１は、終端抵抗２７、コモン電極９，１０への高周波バイパス用コンデンサ２８，２９、及びケース１７へ接地される低周波バイパス用コンデンサ３０から構成される。
ＲＦ信号源１１からＢＩＡＳ−Ｔ１２を介してＲＦ入力コネクタ２０へ印加されたＲＦ信号は、信号電極８、コモン電極９，１０からなるコプレーナ電極を伝播し、他端において終端器３１でＲＦ終端される。
すなわち、信号電極８の端部３２には、電極対のインピーダンスに近い抵抗値を有する終端抵抗２７を接続し、該終端抵抗２７の他端３３には、コモン電極９，１０に各々接続された高周波バイパス用コンデンサ２８，２９の他端と、ケース１７に接続された低周波バイパス用コンデンサ３０の他端とが接続される。
【０００８】
図３のような光変調器モジュールは、高周波バイパス用コンデンサ２８，２９を設けることにより、コモン電極９，１０間の高周波電位を等しく保つことが可能となり、有害なスロットモードの発生を抑制することが可能となる。
しかしながら、図１に示した光変調器モジュールと同様に、ＲＦ信号源１１の信号電圧にＤＣ電源１４による直流バイアスを重畳するため、高周波用途のＢＩＡＳ−Ｔ１２を必要とし、しかもＢＩＡＳ−Ｔ１２をケース１７に外に配置し、コンデンサ側端子にはＲＦ信号源１１を、コイル側端子１３にはＤＣ電源１４を、各々接続することが必要となるため、コスト的に高価であり、スペース的にも問題がある。
【０００９】
また、ＲＦ信号源１１は、図４に示すように、通常はパルス発生器源３４とそこからの擬似ランダム（ＰＲＢＳ）パルスを受けて増幅信号を発生するドライバー３５からなり、ドライバーの出力部分４１は、オープンドレイン３６を有し、該ドレイン３６と電源Ｖｄ間にコイル３７を、また該ドレイン３６と出力端３８との間にコンデンサ３９を設けたＬＣ回路４０が形成されている。
なお、該ＬＣ回路４０は、通常、ドライバーの外部に設けられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、ＲＦ電圧とＤＣ電圧とが共に印加される光変調器モジュールにおける、上述した問題を解消し、光変調器の小型化及び光変調器を駆動するための周辺部材の省略化を行い、特に、従来のようなケースの外部に配置されたＢＩＡＳ−Ｔを用いる必要のない、コスト的、かつスペース的に優れた光変調器モジュールを提供することである。
しかも、このような小型化により、複数の波長に関る光変調器を密に並べるＤＷＤＭ伝送システムを形成することも可能とすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とからなる電極対と、該電極対にＲＦ終端器が接続された光変調器モジュールにおいて、該ＲＦ終端器は終端抵抗とコンデンサとを有しており、該終端抵抗と該コンデンサとの間にＤＣ電圧を印加するためのバイアス用抵抗の一端を接続することを特徴とする。
【００１２】
請求項１に係る発明により、バイアス用抵抗を介してＤＣ電圧を信号電極に効果的に印加することが可能となり、ＢＩＡＳ−Ｔの利用やＲＦ電極とＤＣ電極との分離を行うことなく、ＲＦ電圧とＤＣ電圧とが共に印加される光変調器モジュールを形成することができる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載された光変調器モジュールにおいて、該コンデンサとは、高周波バイパス用コンデンサまたは低周波バイパス用コンデンサであることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明により、高周波信号は高周波バイパス用コンデンサを介して、また低周波信号は低周波バイパス用コンデンサを介して、コモン電極間の電位が等しく保たれる。また、高周波及び低周波バイパス用コンデンサの両方を併用することで、低周波から高周波まで良好にコモン電極間の電位を等しく保つことが可能となる。しかも、このような構成は、低周波から高周波まで広く周波数成分が含まれるディジタル通信に好適である。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載された光変調器モジュールにおいて、該ＲＦ終端器が、終端抵抗、高周波バイパス用コンデンサ、低周波バイパス用コンデンサを有し、信号電極と接地電極との間を該終端抵抗と該高周波バイパス用コンデンサとを直列に配置して接続すると共に、信号電極が該終端抵抗と該低周波バイパス用コンデンサとを直列に接続して接地されており、該終端抵抗と該高周波バイパス用コンデンサ及び低周波バイパス用コンデンサとの共通の接続点に、ＤＣ電圧を印加するためのバイアス用抵抗を接続したことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明により、従来のようなＲＦ終端器によるスロットモードの発生を抑制するだけでなく、バイアス用抵抗を介してＤＣ電圧を信号電極に効果的に印加することが可能となり、ＢＩＡＳ−Ｔの利用やＲＦ電極とＤＣ電極との分離を行うことなく、ＲＦ電圧とＤＣ電圧とが共に印加される光変調器モジュールを形成することができる。
【００１７】
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載された光変調器モジュールにおいて、上記バイアス用抵抗は、上記電極対のインピーダンス値と略同一であり、かつ該電極対のコンダクタンス抵抗の１０分の１以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明により、印加されるＤＣ電圧の９０％以上を信号電極に印加することが可能となるため、より効率的にＤＣバイアスを光変調器に入力することができる。
【００１９】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載され光変調器モジュールにおいて、上記基板を収容するケース内に、上記ＲＦ終端器と上記バイアス用抵抗も収容することを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明により、光変調器と共にＲＦ終端器とバイアス用抵抗をケース内に収容し、光変調器毎に必要な周辺部材も光変調器と一体化した光変調器モジュールとすることにより、複数の光変調器を組み合わせて利用する場合も、その取扱いが容易にでき、該モジュールの配置や回路配線等を単純化及びコンパクト化することが可能となる。
【００２１】
また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載された光変調器モジュールにおいて、該光導波路がマッハツェンダー型であることを特徴とする。
【００２２】
請求項６に係る発明により、マッハツェンダー型の光導波路を有する光変調器であっても、ＢＩＡＳ−Ｔの利用やＲＦ電極とＤＣ電極との分離を行うことなく、ＤＣ電圧を印加できるため、コスト的かつスペース的により優れた光変調器モジュールを提供することが可能となる。
【００２３】
また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載された光変調器モジュールにおいて、マッハツェンダー型を形成する光導波路上の分岐した２つの分岐光導波路に対して、各々信号電極が形成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項７に係る発明により、マッハツェンダー型を形成する光導波路上の分岐した２つの分岐光導波路に対して、各々信号電極が形成されている光変調器（以下、Ｄｕａｌ型光変調器と言う）であっても、個々の信号電極に対してＲＦ終端器とバイアス用抵抗を配置することにより、ＢＩＡＳ−Ｔの利用などを行わずに、容易に各信号電極にＤＣ電圧を印加することが可能となり、コスト的かつスペース的により優れたＤｕａｌ型光変調器のモジュールを提供することできる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
光変調器を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶、又はＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
以下では、表面に垂直な方向に電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸の方向を有する基板（いわゆる「Ｚ−ＣＵＴ型基板」）を中心に説明するが、本発明は、Ｚカット基板に限られるものではない。したがって、分岐光導波路と信号電極及び接地電極などの位置関係も、基板の種類に応じて変更されることは言うまでもない。
【００２６】
光変調器を製造する方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成し、次いで基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの信号電極及び接地電極を構成して、間接的に当該電極を形成する方法がある。
また、バッファ層上にＳｉＮやＳｉ等の膜体を設けた多層構造とすることも可能である。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数の光変調器を作り込み、最後に個々の光変調器のチップに切り離すことにより、光変調器が製造される。
【００２７】
次に、本発明の特徴となる構成について説明する。
図５は、本発明の実施例であり、図６に、その機能を表す概念図を示す。
図５で、４４は光変調器モジュールのケースであり、ＬＮ素子１は図１と同様のものである。また、図５では、ＲＦコネクタ、コモン電極のケースへの接地接続は、図１と同様であり、特徴点を把握し易いように、ここでは省略している。
信号源３４からのＲＦ信号が、ドライバー３５と出力用ＢＩＡＳ−Ｔ４０を介してモジュールのＲＦ入力ピン２０に入力される。
【００２８】
該ＲＦ信号は、コプレーナ電極対８，９，１０を伝播し、分岐光導波路３，４を伝播する光に位相変調を与える。信号電極８を伝播したＲＦ信号は、電極端３２において、該電極端３２に接続された抵抗２７と、該抵抗２７に直列に接続されたコモン電極９，１０への高周波バイパス用コンデンサ２８，２９と、該抵抗２７の接続点４５からモジュールのケース４４へ接続した低周波バイパス用コンデンサ３０とによって構成されるＲＦ終端器により終端する。
【００２９】
接続点４５にはバイアス用抵抗４２が接続され、バイアス用抵抗４２の他端には、ＤＣ電源からＤＣ電圧が印加可能に構成されている。
該接続点４５からＲＦ信号電極を見たＤＣ抵抗は、信号電極８がコモン電極電位（ケース電位）に対して、コンデンサ３９、コンデンサ２８，２９及びコンデンサ３０を介する接続であるため、理想上、ＤＣ的には無限大である。
しかし、現実的には図６の等価回路で示すように、電極部分は４７のように、インダクタンス４８、抵抗４９、コンデンサ５１、および電極間コンダクタンス５０からなる、分布定数回路と等価である。
このため、接続点４５から見たＲＦ電極の抵抗はコンダクタンス５０で決まり、約１００ｋΩ以上の抵抗値となる。よって、抵抗値を該コンダクタンス値より１０分の１以下の値とするバイアス用抵抗４２を、該接続点４５に接続し、該バイアス用抵抗４２の他端４３からＤＣ電圧を印加すると、該電圧の９０％以上が電極間（信号電極８とコモン電極９、１０との間）に印加される。
【００３０】
信号源４６からのＲＦ信号は上述したＲＦ終端器で吸収されるため、ＤＣ電圧を印加するためのバイアス用抵抗４２の存在によって、その信号波形、信号の大きさが影響されることはない。
また、ＤＣバイアス電圧は、その動作点を安定に保つため、使用周波数帯域外の周波数の微弱な低周波信号をＤＣ電圧に重畳し、光変調された光の強度変化を観察し、該重畳した信号に関連する強度変化の成分より、動作点安定化のためのフィードバック信号を生成し、ＤＣ電圧に帰還させる、所謂オートバイアス制御を行うのが一般的である。
ここで、該低周波信号として、ｆ（Ｈｚ）程度を用いる場合、接続点４５から見た電極８のインピーダンスは、１／（２πｆＣ１）、１／（２πｆＣ２）、１／（２πｆＣ３）の並列接続（Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ２８，２９の容量、Ｃ３は、コンデンサ３０の容量）と、１／（２πｆＣ４）、１／（２πｆＣ５）（Ｃ４は、電極容量、Ｃ５は信号源側のコンデンサ３９の容量）と、抵抗４２，４９，５０及び信号源の抵抗５０Ωから形成される。
Ｃ１，Ｃ２は５６０ｐＦ程度、Ｃ３，Ｃ５は０．１μＦ程度、Ｃ４は１０ｐＦ程度である。また、抵抗５０は、１００ｋΩ以上、抵抗４９は電極８のオーミック抵抗であり数オームである。
また、重畳周波数ｆは、１ｋＨｚ程度であるため、接続点４５から電極を見たインピーダンスは、主にＣ３で支配され、１．６ｋΩ程度となる。該抵抗値以下の抵抗値をバイアス用抵抗４２に持たせれば、端子４３に印加した重畳信号電圧の半値以上の電圧を電極８に印加できる。
【００３１】
なお、ＤＣ電圧はＲＦ入力側にコンデンサ３９と入力端子２０の間、あるいは端子２０と信号電極端５２との間に、上記抵抗値の抵抗を設けることで、同様の効果が期待できるが、この場合は、該抵抗器の持つ容量、インダクタンス及び該抵抗を接続するためのパターンによってインピーダンスが変わり、結果としてＲＦ信号に影響を与えることとなる。
【００３２】
図７は、本発明をＤｕａｌ型光変調器に適用した例を示す。
分岐光導波路３，４のそれぞれに独立したコプレーナ電極対５３と５４，５５、および５６と５７，５５を設け、それぞれにＲＦ信号源５８，５９からＲＦ信号を信号電極５３，５６に印加する。信号電極の他端には、終端抵抗６０，６１、高周波バイパス用コンデンサ６２，６３，６４，６５、低周波バイパス用コンデンサ６６，６７、およびＤＣバイアス用抵抗６８，６９からなるＲＦ終端器７２，７３を儲け、前述したのと同様にＲＦ信号を終端させる。
それぞれの定数を前述の通りとした場合には、端子７０，７１から印加したＤＣ電圧の９０％以上が、また重畳する１ｋＨｚ信号電圧の半値電圧以上が、印加されたＲＦ信号に影響を与えることなく、信号電極５３，５６に印加することが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、光変調器モジュールの外部に高価かつ容積の大きなＢＩＡＳ−Ｔを使用することなく、また、印加されたＲＦ信号に影響を与えることなく、ＲＦ電極とＤＣ電極とを一体とする信号電極に、ＤＣバイアス電圧を印加することが可能となり、コスト的、面積的に優位な光変調器モジュールを提供することが可能となる。

Claims

電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とからなる電極対と、該電極対にＲＦ終端器が接続された光変調器モジュールにおいて、
該ＲＦ終端器は終端抵抗とコンデンサとを有しており、
該終端抵抗と該コンデンサとの間にＤＣ電圧を印加するためのバイアス用抵抗の一端を接続することを特徴とする光変調器モジュール。
請求項１に記載された光変調器モジュールにおいて、該コンデンサとは、高周波バイパス用コンデンサまたは低周波バイパス用コンデンサであることを特徴とする光変調器モジュール。
請求項２に記載された光変調器モジュールにおいて、該ＲＦ終端器が、終端抵抗、高周波バイパス用コンデンサ、低周波バイパス用コンデンサを有し、信号電極と接地電極との間を該終端抵抗と該高周波バイパス用コンデンサとを直列に配置して接続すると共に、信号電極が該終端抵抗と該低周波バイパス用コンデンサとを直列に接続して接地されており、
該終端抵抗と該高周波バイパス用コンデンサ及び低周波バイパス用コンデンサとの共通の接続点に、ＤＣ電圧を印加するためのバイアス用抵抗を接続したことを特徴とする光変調器モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載された光変調器モジュールにおいて、上記バイアス用抵抗は、上記電極対のインピーダンス値と略同一以上であり、かつ該電極対のコンダクタンス抵抗の１０分の１以下であることを特徴とする光変調器モジュール。
請求項１乃至４のいずれかに記載された光変調器モジュールにおいて、上記基板を収容するケース内に、上記ＲＦ終端器と上記バイアス用抵抗も収容することを特徴とする光変調器モジュール。
請求項１乃至５のいずれかに記載された光変調器モジュールにおいて、該光導波路がマッハツェンダー型であることを特徴とする光変調器モジュール。
請求項６に記載された光変調器モジュールにおいて、マッハツェンダー型を形成する光導波路上の分岐した２つの分岐光導波路に対して、各々信号電極が形成されていることを特徴とする光変調器モジュール。