JP2006003507A - Optical modulator and characteristics control method - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulator and a characteristics control method, with which an E/O (electro-optical) response characteristics of the optical modulator is easily adjusted, after the manufacture of the optical modulator. <P>SOLUTION: A variable capacitor 5 is connected in parallel to a second electric signal line 4. The frequency characteristics of the E/O response of the optical modulator is adjusted, by adjusting the capacitance value of such a variable capacitor 5. Thereby, even if variations in the characteristic exist in an optical modulation element 10 itself, the variations in the characteristics are absorbed or suppressed, even if it after the manufacturing of the optical modulator. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、入力された光信号に対して電気信号による変調を加え、被変調光信号を出力する光変調器に関するもので、特に、E/O(電気入力/光出力)応答の特性を変化させる光変調器および特性制御方法に関するものである。   The present invention relates to an optical modulator that modulates an input optical signal with an electrical signal and outputs a modulated optical signal, and in particular, changes the characteristics of an E / O (electrical input / optical output) response. The present invention relates to an optical modulator and a characteristic control method.

光通信における伝送速度の増大に伴い、光変調においてもより高速動作が可能な手段が要求されてきている。このため、半導体レーザの出力光を直接変調する代わりに、近年ではより高速動作が可能な外部光変調器を用いることが提案されている。
従来、外部光変調器は、素子の動作帯域が集中定数である素子容量(C)と負荷抵抗(R)から決まる時定数(CR時定数)で制限されるような電極構造を有する集中定数型が用いられていた。集中定数型の電極構造素子において、素子の動作帯域を拡大するためには、素子容量を低減する必要がある。しかしながら、素子容量の低減のために例えば素子長(光信号が導波する方向の長さ)を短くすると消光比が劣化し、また、例えば素子の厚み(電気信号による電界が印加される方向の長さ)を大きくすると駆動電圧が大きくなってしまうという問題があった。
Along with an increase in transmission speed in optical communication, means capable of higher speed operation in optical modulation has been required. For this reason, instead of directly modulating the output light of the semiconductor laser, in recent years, it has been proposed to use an external optical modulator capable of higher speed operation.
Conventionally, an external optical modulator has a lumped constant type having an electrode structure in which the operating band of an element is limited by a time constant (CR time constant) determined from an element capacitance (C) and a load resistance (R), which are lumped constants. Was used. In the lumped-constant electrode structure element, it is necessary to reduce the element capacity in order to expand the operation band of the element. However, if the element length (the length in the direction in which the optical signal is guided) is shortened, for example, to reduce the element capacitance, the extinction ratio deteriorates. For example, the thickness of the element (in the direction in which the electric field by the electric signal is applied) When the (length) is increased, there is a problem that the driving voltage increases.

そこで、近年、素子の電極構造を集中定数型から進行波型に変更することによって、上述したCR時定数による帯域制限を大幅に緩和することが提案されている。進行波型の電極構造とは、電気信号(マイクロ波)に対する電極をコプレーナ線路やマイクロストリップ線路といった分布定数型の伝送線路となるように構成し、この伝送線路と光信号の導波路とを並走させる構造である。この構造では、理想的な条件の下では、素子の動作帯域は素子内を伝搬する電気信号と光信号との位相速度差で決まるとされ、極めて広帯域な特性が期待できる。実際、進行波型電極構造素子によりE/O(電気入力/光出力)応答の−3dB帯域が例えば50GHz以上の超広帯域特性が実現されている。   Therefore, in recent years, it has been proposed to relieve the band limitation due to the CR time constant described above by changing the electrode structure of the element from a lumped constant type to a traveling wave type. The traveling wave type electrode structure is configured such that an electrode for an electrical signal (microwave) is a distributed constant type transmission line such as a coplanar line or a microstrip line, and the transmission line and the optical signal waveguide are arranged in parallel. It is a structure that runs. In this structure, under ideal conditions, the operating band of the element is determined by the phase velocity difference between the electric signal and the optical signal propagating in the element, and an extremely wide band characteristic can be expected. Actually, the traveling wave type electrode structure element realizes an ultra-wideband characteristic in which the -3 dB band of the E / O (electrical input / light output) response is, for example, 50 GHz or more.

上述したように、進行波型電極構造素子は電気信号を伝送線路上で伝搬させるものであるが、一般に伝送線路はそれぞれ特性インピーダンス(Z0)を有しており、電気信号の効率的な伝送には線路の特性インピーダンスと電気信号駆動系の終端抵抗とのインピーダンス整合が必要である。そして電気信号の駆動系は50Ω系(すなわち、終端抵抗は50Ω)が標準である。 As described above, the traveling wave type electrode structure element propagates an electric signal on a transmission line. Generally, each transmission line has a characteristic impedance (Z 0 ), and the electric signal is efficiently transmitted. Requires impedance matching between the characteristic impedance of the line and the termination resistance of the electric signal drive system. The standard drive system for electrical signals is a 50Ω system (that is, the termination resistance is 50Ω).

ところが、進行波型電極構造の光変調器を伝送線路からなる電気素子として見た場合、通常その特性インピーダンスは50Ωより低い低インピーダンス(典型的には25Ω程度)線路であり、そのままでは終端抵抗が50Ωの電気信号駆動系とインピーダンス整合しない。光変調器と電気信号駆動系とがインピーダンス整合しないと、例えば、電気信号発生源(ドライバー回路等)からの変調電気信号を光変調器に入力する際、その一部が反射されてしまい、光変調器内の電気/光相互作用領域に信号電圧が有効に印加されず、結果としてE/O(電気入力/光出力)応答特性の劣化を招くことになる。   However, when an optical modulator having a traveling wave type electrode structure is viewed as an electric element composed of a transmission line, the characteristic impedance is usually a low impedance line (typically about 25 ohms) lower than 50 ohms. Does not match impedance with 50Ω electric signal drive system. If the optical modulator and the electrical signal drive system do not match impedance, for example, when a modulated electrical signal from an electrical signal generation source (driver circuit or the like) is input to the optical modulator, a part of the modulated electrical signal is reflected. The signal voltage is not effectively applied to the electric / optical interaction region in the modulator, and as a result, the E / O (electric input / optical output) response characteristic is deteriorated.

そこで、光変調器と電気信号駆動系とのインピーダンス整合を実現するために、図7に示すように、光変調器部10内の電気/光相互作用領域11の電気信号入力端および電気信号出力端の少なくとも一方にインピーダンス整合回路101を付加する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。インピーダンス整合回路101は、一般にインダクタ、キャパシタ、および電気抵抗の組合せから構成され、その回路設計手法はトランジスタ等を用いた通常の電気回路におけるインピーダンス整合回路設計手法と原理的に同じである。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平7−98442号公報
Therefore, in order to realize impedance matching between the optical modulator and the electric signal driving system, as shown in FIG. 7, the electric signal input terminal and the electric signal output of the electric / optical interaction region 11 in the optical modulator section 10 are used. A configuration in which an impedance matching circuit 101 is added to at least one of the ends has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The impedance matching circuit 101 is generally composed of a combination of an inductor, a capacitor, and an electric resistance, and its circuit design method is the same in principle as an impedance matching circuit design method in a normal electric circuit using a transistor or the like.
The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
JP 7-98442 A

しかしながら、上述したインピーダンス整合回路101は、固定値インダクタンス、固定値キャパシタンス、および固定値電気抵抗から構成されるため、製造後にその回路特性を変えることはできない。したがって、例えば、インピーダンス整合回路に接続される光変調器の特性に製造ばらつきがあると、そのばらつきを吸収できず、所望のE/O応答特性が得ることができない。この場合、インピーダンス整合回路を外付けにし、光変調器の特性ばらつきに応じてインピーダンス整合回路を取り替えることは原理的には可能であるが、製造工程が煩雑になり現実的ではない。
また、仮に光変調器特性にばらつきがない場合でも、例えば、光変調器を電気的に駆動するためのドライバー回路の特性が変われば、それに応じて光変調器のE/O応答特性も変化してしまい、所望のE/O応答特性が得られなくなる。
そこで、本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、光変調器のE/O応答特性を光変調器の製造後に容易に調整できる光変調器および特性制御方法を提供することを目的とする。
However, since the impedance matching circuit 101 described above is composed of a fixed value inductance, a fixed value capacitance, and a fixed value electric resistance, its circuit characteristics cannot be changed after manufacturing. Therefore, for example, if there is a manufacturing variation in the characteristics of the optical modulator connected to the impedance matching circuit, the variation cannot be absorbed and a desired E / O response characteristic cannot be obtained. In this case, it is possible in principle to attach an impedance matching circuit externally and replace the impedance matching circuit in accordance with variations in characteristics of the optical modulator, but the manufacturing process becomes complicated and is not practical.
Even if there is no variation in the optical modulator characteristics, for example, if the characteristics of the driver circuit for electrically driving the optical modulator changes, the E / O response characteristics of the optical modulator will change accordingly. As a result, desired E / O response characteristics cannot be obtained.
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an optical modulator and a characteristic control method capable of easily adjusting an E / O response characteristic of an optical modulator after manufacturing the optical modulator. The purpose is to provide.

上述したような課題を解決するために、本発明にかかる光変調器は、入力された光信号と電気信号とが相互作用する相互作用領域を備え、光信号を電気信号に応じて変調出力する光変調器において、相互作用領域に接続され、電気信号を出力終端抵抗に伝送する電気信号線と、この電気信号線に対して並列に接続された可変容量とを有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an optical modulator according to the present invention includes an interaction region in which an input optical signal interacts with an electrical signal, and modulates and outputs the optical signal according to the electrical signal. The optical modulator includes an electric signal line that is connected to the interaction region and transmits an electric signal to an output terminal resistor, and a variable capacitor that is connected in parallel to the electric signal line.

上記光変調器において、可変容量は、第1の導電型の第1の半導体層と第2導電型の第2の半導体層とを少なくとも備えた半導体積層構造を有するようにしてもよい。
ここで、相互作用領域は、半導体積層構造と同一の半導体積層構造を有するようにしてもよい。
In the optical modulator, the variable capacitor may have a semiconductor stacked structure including at least a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer of a second conductivity type.
Here, the interaction region may have the same semiconductor multilayer structure as the semiconductor multilayer structure.

上記光変調器において、可変容量と相互作用領域とは、同一基板上に集積されるようにしてもよい。
また、上記光変調器において、可変容量は、相互作用領域から出力された電気信号を反射するようにしてもよい。
In the optical modulator, the variable capacitor and the interaction region may be integrated on the same substrate.
In the optical modulator, the variable capacitor may reflect an electric signal output from the interaction region.

また、本発明にかかる特性制御方法は、入力された光信号と電気信号とを相互作用領域で相互作用させて、光信号を電気信号に応じて変調出力する光変調器の応答特性制御方法において、相互作用領域に接続され電気信号を出力終端抵抗に伝送する電気信号線に対して並列に接続された可変容量の容量を変化させることにより、電気信号に応じて変調出力される光信号の応答の度合いを変化させることを特徴とする。   The characteristic control method according to the present invention is a response characteristic control method for an optical modulator that causes an input optical signal and an electric signal to interact in an interaction region and modulates and outputs the optical signal in accordance with the electric signal. Response of the optical signal modulated and output in accordance with the electric signal by changing the capacitance of the variable capacitor connected in parallel to the electric signal line connected to the interaction region and transmitting the electric signal to the output termination resistor It is characterized by changing the degree of.

上記特性制御方法において、可変容量の容量の変化量に応じて、相互作用領域から出力された電気信号を反射させる度合いを変化させるようにしてもよい。   In the above characteristic control method, the degree of reflection of the electrical signal output from the interaction region may be changed according to the change amount of the variable capacitance.

本発明によれば、相互作用領域の出力終端抵抗側に可変容量を設けることにより、光変調器の製造後であっても、光変調器のE/O応答特性を容易に調整することができる。これにより、光変調器の製造後に、光変調器のE/O応答特性の平坦性を向上させたり、光変調器の特性ばらつきを吸収または調整することも可能となる。   According to the present invention, by providing a variable capacitor on the output termination resistor side of the interaction region, the E / O response characteristic of the optical modulator can be easily adjusted even after the optical modulator is manufactured. . Thereby, it is possible to improve the flatness of the E / O response characteristic of the optical modulator and to absorb or adjust the characteristic variation of the optical modulator after manufacturing the optical modulator.

以下、図面を参照して、本発明にかかる光変調器について詳細に説明する。
図1は、本実施の形態にかかる光変調器の構成を示す図である。
図1に示すように、本実施の形態にかかる光変調器は、光変調素子10と、この光変調素子10に接続された光信号入力端1および光信号出力端2並びに第1の電気信号線3および第2の電気信号線4とを備えている。第1の電気信号線3は、電気信号駆動系入力終端側8の(等価)入力終端抵抗81と接続されている。第2の電気信号線4は、電気信号駆動系出力終端側9の出力終端抵抗91と接続されている。
ここで、光変調素子10は、電気信号に応じて光信号を変調する電気/光相互作用領域11を有する。この電気/光相互作用領域11は、電界吸収型光変調器の場合、例えば、n−InP/i−MQW/p−InP(MQWはInGaAlAs/InAlAsの多量子井戸構造)の積層構造から構成される。
また、第2の電気信号線4には、可変容量5が第2の電気信号線4に対して並列に接続されている。
Hereinafter, an optical modulator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical modulator according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the optical modulator according to the present embodiment includes an optical modulation element 10, an optical signal input terminal 1 and an optical signal output terminal 2 connected to the optical modulation element 10, and a first electric signal. A line 3 and a second electric signal line 4 are provided. The first electrical signal line 3 is connected to an (equivalent) input termination resistor 81 on the electrical signal drive system input termination side 8. The second electrical signal line 4 is connected to an output termination resistor 91 on the electrical signal drive system output termination side 9.
Here, the light modulation element 10 includes an electrical / optical interaction region 11 that modulates the optical signal in accordance with the electrical signal. In the case of an electroabsorption optical modulator, the electrical / optical interaction region 11 is formed of, for example, a stacked structure of n-InP / i-MQW / p-InP (MQW is an InGaAlAs / InAlAs multi-quantum well structure). The
A variable capacitor 5 is connected to the second electric signal line 4 in parallel to the second electric signal line 4.

このような光変調器において、電気信号駆動系入力終端側8で発生した変調電気信号は、第1の電気信号線3を介して光変調素子10に入力され、電気/光相互作用領域11において光信号入力端1から入力された光信号を変調して、被変調光信号を光信号出力端2から出力させる。変調電気信号は、第2の電気信号線4を介して電気信号駆動系出力終端側9へと伝送される。   In such an optical modulator, the modulated electric signal generated on the electric signal drive system input terminal side 8 is input to the optical modulation element 10 via the first electric signal line 3, and in the electric / optical interaction region 11. The optical signal input from the optical signal input terminal 1 is modulated, and the modulated optical signal is output from the optical signal output terminal 2. The modulated electric signal is transmitted to the electric signal drive system output terminal side 9 via the second electric signal line 4.

可変容量5は、後述するように、可変容量ダイオードなど、容量値を変化させることが可能な素子から構成される。本実施の形態において、可変容量5は、光変調器の製造後であっても容量値を調整することが可能なので、電気信号の反射量を光変調器の製造後に自由に調整することによって、光変調素子10から出力される電気信号の反射を制御するが可能となる。なお、可変容量5により、電気信号の反射を抑制すればインピーダンス整合状態となり、電気信号の反射を助長すればインピーダンス不整合状態となるが、本実施の形態では、後述するように、通常のインピーダンス整合のみならずインピーダンス不整合をも利用して、入力(変調)電気信号に対する出力(被変調)光信号の応答特性を所望の特性に調整する。   As will be described later, the variable capacitor 5 is composed of an element capable of changing a capacitance value, such as a variable capacitance diode. In the present embodiment, since the variable capacitor 5 can adjust the capacitance value even after the optical modulator is manufactured, by freely adjusting the reflection amount of the electric signal after the optical modulator is manufactured, It becomes possible to control the reflection of the electric signal output from the light modulation element 10. It should be noted that if the reflection of the electric signal is suppressed by the variable capacitor 5, the impedance matching state is obtained, and if the reflection of the electric signal is promoted, the impedance mismatching state is obtained. The response characteristic of the output (modulated) optical signal with respect to the input (modulated) electric signal is adjusted to a desired characteristic by utilizing not only matching but also impedance mismatching.

図1に示す構成、すなわち可変容量5を光変調素子10の電気信号出力側に接続した場合についての、E/O応答の周波数特性シミュレーション結果を図2に示す。図2は、本実施の形態にかかる光変調器のE/O応答の周波数依存特性を示す図である。
本シミュレーションでは、光変調素子10として電気/光相互作用領域11の長さが100μmの進行波型電極構造を有する電界吸収型光変調素子を仮定し、入力終端抵抗81および出力終端抵抗91の値はともに50Ωとした。また、第2の電気信号線4は、線路長が400μm、特性インピーダンス値が68Ωのコプレーナ線路とした。可変容量5の容量値としては、0,10,20,30,40,50fFの6種類を想定した。第1の電気信号線3は、本シミュレーションでは、単なる電気的結線とした。
FIG. 2 shows the frequency characteristic simulation result of the E / O response when the configuration shown in FIG. 1, that is, when the variable capacitor 5 is connected to the electric signal output side of the light modulation element 10. FIG. 2 is a diagram illustrating frequency-dependent characteristics of the E / O response of the optical modulator according to the present embodiment.
In this simulation, an electroabsorption optical modulation element having a traveling wave electrode structure in which the length of the electric / optical interaction region 11 is 100 μm is assumed as the optical modulation element 10, and values of the input termination resistor 81 and the output termination resistor 91 are assumed. Both were 50Ω. The second electric signal line 4 is a coplanar line having a line length of 400 μm and a characteristic impedance value of 68Ω. As the capacitance value of the variable capacitor 5, six types of 0, 10, 20, 30, 40, and 50 fF were assumed. The first electric signal line 3 is simply connected in the present simulation.

なお、第2の電気信号線4は、例えばマイクロストリップ線路などコプレーナ線路以外の分布定数線路でもよい。また、第2の電気信号線4は、分布定数線路に限定されず、例えば、集中定数素子であるインダクタを挿入するようにしてもよい。   The second electric signal line 4 may be a distributed constant line other than a coplanar line such as a microstrip line. Further, the second electric signal line 4 is not limited to a distributed constant line, and for example, an inductor that is a lumped constant element may be inserted.

図2に示すE/O応答特性は、入力マイクロ波の周波数が45MHz〜50GHzのときの結果を示すものである。
第2の電気信号線4と可変容量5からなる電気信号の制御回路が一切接続されていない場合、すなわち光変調素子10自体のE/O応答は、図2において白四角印で示すように、入力マイクロ波周波数の増加とともに単調に減少する。
The E / O response characteristics shown in FIG. 2 show results when the frequency of the input microwave is 45 MHz to 50 GHz.
When the control circuit of the electric signal composed of the second electric signal line 4 and the variable capacitor 5 is not connected at all, that is, the E / O response of the light modulation element 10 itself is shown by a white square mark in FIG. Decreases monotonically with increasing input microwave frequency.

これに対し、第2の電気信号線4と可変容量5からなる電気信号の制御回路を光変調素子10の電気信号出力側に接続し、かつ容量の値を変化させると、図2に示すようにE/O応答特性を大幅に変化、改善させることが可能となる。例えば、可変容量5の容量値を30fF程度に設定すると、図2において黒菱形印で示すように、E/O応答の周波数特性を高周波領域まで平坦化できる。   On the other hand, when an electric signal control circuit composed of the second electric signal line 4 and the variable capacitor 5 is connected to the electric signal output side of the light modulation element 10 and the value of the capacitance is changed, as shown in FIG. In addition, the E / O response characteristics can be greatly changed and improved. For example, when the capacitance value of the variable capacitor 5 is set to about 30 fF, the frequency characteristic of the E / O response can be flattened to a high frequency region as indicated by a black diamond mark in FIG.

このように、本実施の形態によれば、第2の電気信号線4に対して並列に可変容量5を設け、この可変容量5の容量値を調整することにより光変調器のE/O応答の周波数特性を調整する。これにより、光変調素子10自体に特性ばらつきが存在しても、可変容量5の容量値を調整することにより、その特性ばらつきを光変調器の製造後であっても吸収または抑制することが可能となる。なお、本実施の形態では、出力電圧振幅の周波数特性が異なるドライバー回路を用いた場合でも、光変調器のE/O応答の周波数特性を所望の特性に調整することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the variable capacitor 5 is provided in parallel to the second electric signal line 4, and the E / O response of the optical modulator is adjusted by adjusting the capacitance value of the variable capacitor 5. Adjust the frequency characteristics. As a result, even if there is a characteristic variation in the light modulation element 10 itself, by adjusting the capacitance value of the variable capacitor 5, the characteristic variation can be absorbed or suppressed even after the optical modulator is manufactured. It becomes. In the present embodiment, the frequency characteristic of the E / O response of the optical modulator can be adjusted to a desired characteristic even when a driver circuit having a different frequency characteristic of the output voltage amplitude is used.

E/O応答の周波数特性において高周波領域まで平坦化が可能な可変容量5を30fFに設定した場合について、電気信号の入力反射係数S11および出力反射係数S22の周波数依存特性を、制御回路が接続されていない場合の反射係数とともに図3に示す。図3は、可変容量5を有する制御回路が接続された場合と制御回路が接続されていない場合の光変調器の電気信号の反射係数の周波数依存性を示す図である。ここで、制御回路が接続されていない場合は、素子構造が入出力対称なので、S11=S22となる。なお、反射係数は入力終端部および出力終端部を基準面とするものである。   When the variable capacitor 5 that can be flattened to the high frequency region in the frequency characteristic of the E / O response is set to 30 fF, the control circuit is connected to the frequency dependence characteristics of the input reflection coefficient S11 and the output reflection coefficient S22 of the electric signal. It is shown in FIG. 3 together with the reflection coefficient when not. FIG. 3 is a diagram illustrating the frequency dependence of the reflection coefficient of the electrical signal of the optical modulator when the control circuit having the variable capacitor 5 is connected and when the control circuit is not connected. Here, when the control circuit is not connected, the element structure is input / output symmetric, so S11 = S22. The reflection coefficient is based on the input termination portion and the output termination portion as a reference plane.

図3に示すように、制御回路が接続された場合は、約30GHz以上の高周波領域において、制御回路が接続されていない場合(図3中、白四角印)よりも入力反射係数S11(図3中、黒丸印)および出力反射係数S22(図3中、黒三角印)が増大している。特に、出力反射係数S22の増大は顕著である。これは、当該周波数領域においては、制御回路を接続することにより、特に光変調器の電気信号出力側でインピーダンス不整合状態が助長されていることを意味している。このことは、図4に示す透過係数S21の周波数依存性にも明確に現れている。図4は、可変容量5を含む制御回路が接続された場合と制御回路が接続されていない場合の光変調器の電気信号の透過係数の周波数依存性を示す図である。
図4に示すように、制御回路が接続されている場合の透過係数S21(図4中、黒四角印)は、約30GHz以上の高周波領域において、上述したインピーダンス不整合状態を反映して、周波数の増加とともに急激に低下する傾向を示している。
As shown in FIG. 3, when the control circuit is connected, the input reflection coefficient S11 (FIG. 3) is higher than the case where the control circuit is not connected (indicated by white squares in FIG. 3) in a high frequency region of about 30 GHz or more. Middle, black circles) and output reflection coefficient S22 (black triangles in FIG. 3) are increased. In particular, the increase in the output reflection coefficient S22 is significant. This means that, in the frequency region, the impedance mismatching state is promoted by connecting the control circuit, particularly on the electric signal output side of the optical modulator. This clearly appears in the frequency dependence of the transmission coefficient S21 shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing the frequency dependence of the transmission coefficient of the electrical signal of the optical modulator when the control circuit including the variable capacitor 5 is connected and when the control circuit is not connected.
As shown in FIG. 4, the transmission coefficient S21 (black square mark in FIG. 4) when the control circuit is connected reflects the above-described impedance mismatch state in a high frequency region of about 30 GHz or more. It shows a tendency to decrease sharply with increasing.

このようなインピーダンス不整合は、光変調器の電気信号入力側から電気信号出力側へと透過してきた変調電気信号に対して反射電気信号の生成を助長することにより発生する。図2に示すようにE/O応答が改善されるのは、上述したように反射電気信号を生成することで、光変調器内の電気/光相互作用領域11への信号電圧の印加効率が結果的に改善されることに起因する。したがって、本実施の形態における可変容量5を含む制御回路は、従来のインピーダンス整合回路(反射電気信号を抑制するための回路)とは異なり、少なくともある周波数領域においてインピーダンス不整合状態を積極的に助長する機能を有する。   Such an impedance mismatch is generated by facilitating the generation of a reflected electrical signal for the modulated electrical signal transmitted from the electrical signal input side to the electrical signal output side of the optical modulator. As shown in FIG. 2, the E / O response is improved by generating the reflected electric signal as described above, thereby improving the application efficiency of the signal voltage to the electric / optical interaction region 11 in the optical modulator. As a result, it is improved. Therefore, unlike the conventional impedance matching circuit (a circuit for suppressing the reflected electric signal), the control circuit including the variable capacitor 5 in the present embodiment actively promotes the impedance mismatching state at least in a certain frequency region. It has the function to do.

次に、図5を参照して、進行波型電極構造を有する電界吸収型光変調素子の具体例について説明する。図5は、進行波型電極構造を有する電界吸収型光変調素子の、光信号および電気信号の伝搬方向に対して垂直な断面模式図である。   Next, a specific example of an electroabsorption optical modulation element having a traveling wave electrode structure will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an electroabsorption optical modulation element having a traveling wave electrode structure perpendicular to the propagation direction of an optical signal and an electric signal.

図5に示す電界吸収型光変調素子は、基板111上に、例えばInPからなる第1導電型(例えばn型)の第1半導体層112と、この第1半導体層112上に導電型が設定されないi(intrinsic;真性)型の半導体層113(InGaAlAs/InAlAs等の多重量子井戸構造)と、この半導体層113上に例えばInPからなる第2導電型(例えばp型)の第2半導体層114とが積層された半導体積層構造を有し、半導体層113が形成されていない第1半導体層112上および第2半導体層114上には、それぞれ電極115または116が形成されている。このような光変調素子は、メサ型のp−i−nダイオード構造となっており、電極115および116間に変調電気信号が印可されると、主にi型の半導体層113内に電界を形成して同層内を導波する光信号と相互作用し、この光信号に変調が加えられる。   The electroabsorption optical modulation element shown in FIG. 5 has a first conductivity type (for example, n-type) first semiconductor layer 112 made of, for example, InP on a substrate 111, and a conductivity type set on the first semiconductor layer 112. An i (intrinsic) type semiconductor layer 113 (multi-quantum well structure such as InGaAlAs / InAlAs) and a second conductivity type (for example, p type) second semiconductor layer 114 made of InP on the semiconductor layer 113, for example. The electrodes 115 and 116 are formed on the first semiconductor layer 112 and the second semiconductor layer 114, respectively, on which the semiconductor layer 113 is not formed. Such a light modulation element has a mesa-type pin diode structure. When a modulated electric signal is applied between the electrodes 115 and 116, an electric field is mainly generated in the i-type semiconductor layer 113. It interacts with an optical signal that is formed and guided in the same layer, and the optical signal is modulated.

一般に、pn接合からなるダイオードは、印加する逆バイアス電圧に応じてpn接合部の空乏層厚が変化するため可変容量ダイオードとして用いることができるが、p−i−n構造のダイオードであってもその容量を可変とすることは可能である。したがって、光変調素子を構成するp−i−n半導体層積層構造を、可変容量素子の半導体積層構造として共用することができる。   In general, a diode composed of a pn junction can be used as a variable capacitance diode because the depletion layer thickness of the pn junction changes depending on the applied reverse bias voltage, but even a diode having a pin structure can be used. It is possible to make the capacity variable. Therefore, the pin semiconductor layer stacked structure constituting the light modulation element can be shared as the semiconductor stacked structure of the variable capacitance element.

図6は、本実施の形態にかかる光変調器の一具体例を示す図である。図6において、図1で示した可変容量5に対応するものとして上述したp−i−n構造の可変容量ダイオード51が接続されている。この具体例では、p−i−nダイオード構造からなる光変調素子10が形成される基板上に、光変調素子10と同一の半導体積層構造を有する可変容量ダイオード51を形成する。これは公知の半導体加工技術を用いることにより容易に行うことができる。また、光変調素子10と可変容量ダイオード51との間のコプレーナ線路等の第2の電気信号線4を同一基板上に形成することも、公知の配線形成技術により容易に行うことができる。   FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of the optical modulator according to the present embodiment. In FIG. 6, the variable capacitance diode 51 having the pin structure described above is connected to correspond to the variable capacitance 5 shown in FIG. In this specific example, a variable capacitance diode 51 having the same semiconductor multilayer structure as that of the light modulation element 10 is formed on a substrate on which the light modulation element 10 having a pin diode structure is formed. This can be easily performed by using a known semiconductor processing technique. In addition, the second electric signal line 4 such as a coplanar line between the light modulation element 10 and the variable capacitance diode 51 can be easily formed on the same substrate by a known wiring formation technique.

このように、本実施の形態によれば、光変調素子10および可変容量ダイオード51、または、光変調素子10、可変容量ダイオード51および第2の電気信号線4を同一基板上に形成することにより、製造工程を少なくするとともに、材料の無駄を省くことができ、結果としてコストダウンを実現することができる。また、同一基板上に形成することにより、さらなる小型化を実現することもできる。   As described above, according to the present embodiment, the light modulation element 10 and the variable capacitance diode 51 or the light modulation element 10, the variable capacitance diode 51, and the second electric signal line 4 are formed on the same substrate. In addition to reducing the number of manufacturing steps, waste of materials can be eliminated, and as a result, cost reduction can be realized. Further, further miniaturization can be realized by forming on the same substrate.

図6において、第2の電気信号線4と可変容量ダイオード51との間には、例えばMIM(Metal−Insulator−Metal)構造からなる固定値の容量を有する固定値容量6が設けられている。MIM構造も上述したような公知の集積加工技術を用いて容易に形成することが可能である。固定値容量6は、可変容量ダイオード51との間に接続された可変容量ダイオード51の容量値を調整する逆バイアス電圧制御端子7からの制御DC電圧(図示しないチョークコイルを介して供給される)と、光変調素子10の駆動用DC電圧とを分離するためのDC阻止用容量であり、その容量値は例えば1pF程度以上であれば、可変容量ダイオード51の容量(例えば30fF程度)と固定値容量6の合成容量を、ほぼ可変容量ダイオード51の容量とすることができる。   In FIG. 6, a fixed value capacitor 6 having a fixed value capacitor made of, for example, an MIM (Metal-Insulator-Metal) structure is provided between the second electric signal line 4 and the variable capacitance diode 51. The MIM structure can also be easily formed using a known integrated processing technique as described above. The fixed value capacitor 6 is a control DC voltage (supplied via a choke coil not shown) from a reverse bias voltage control terminal 7 that adjusts the capacitance value of the variable capacitance diode 51 connected between the variable capacitance diode 51. And a DC blocking capacitance for separating the driving DC voltage of the light modulation element 10, and if the capacitance value is, for example, about 1 pF or more, the capacitance of the variable capacitance diode 51 (for example, about 30 fF) and a fixed value. The combined capacitance of the capacitor 6 can be made approximately the capacitance of the variable capacitance diode 51.

可変容量ダイオード51の容量は、逆バイアス電圧制御端子7からの制御DC電圧により微調整可能であるが、制御電圧の調整による容量の可変範囲を無制限に大きくは取ることはできない。所望の可変容量範囲を得るには、基板に対するダイオードの面積を予め規定することにより可能である。   The capacitance of the variable capacitance diode 51 can be finely adjusted by the control DC voltage from the reverse bias voltage control terminal 7, but the variable range of the capacitance by adjusting the control voltage cannot be taken as large as possible. A desired variable capacitance range can be obtained by predefining the area of the diode with respect to the substrate.

なお、上記具体例において、可変容量素子である可変容量ダイオード51と光変調素子10とを、同一半導体積層構造を用いて同一基板上に形成するように説明したが、可変容量素子と光変調素子は別基板上に形成するようにしてもよい。この場合、可変容量素子は、p−i−nダイオードに限定されず、通常のpn接合ダイオードや他の構造の可変容量素子であってもよい。また、図6では、可変容量ダイオード51のカソード側を接地する構成について説明したが、逆バイアス制御電圧端子7からの制御DC電圧の極性を逆にすれば、アノード側を接地する構成としてもよい。   In the above specific example, the variable capacitance diode 51 that is a variable capacitance element and the light modulation element 10 have been described as being formed on the same substrate using the same semiconductor multilayer structure. May be formed on a separate substrate. In this case, the variable capacitance element is not limited to a pin diode, and may be a normal pn junction diode or a variable capacitance element having another structure. Further, in FIG. 6, the configuration in which the cathode side of the variable capacitance diode 51 is grounded has been described. However, if the polarity of the control DC voltage from the reverse bias control voltage terminal 7 is reversed, the anode side may be grounded. .

また、本実施の形態において、光変調素子として電界吸収型光変調素子を例に説明したが、光変調素子の電気信号出力側に可変容量を接続するという本実施の形態の主旨は、他の動作機構に基づく光変調素子、例えばマッハ・ツェンダー型光変調素子に対しても適用することができる。なぜならば、本実施の形態は、光変調素子の動作機構についてのものではなく、光変調素子に供給される電気信号の制御に関するものだからである。   Further, in the present embodiment, the electroabsorption optical modulation element is described as an example of the light modulation element, but the gist of the present embodiment in which a variable capacitor is connected to the electric signal output side of the light modulation element is the other The present invention can also be applied to a light modulation element based on an operation mechanism, for example, a Mach-Zehnder light modulation element. This is because the present embodiment is not related to the operation mechanism of the light modulation element, but is related to the control of the electric signal supplied to the light modulation element.

本発明の実施の形態にかかる光変調器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical modulator concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる光変調器のE/O応答の周波数依存特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency dependence characteristic of the E / O response of the optical modulator concerning embodiment of this invention. 光変調器の電気信号の反射係数の周波数依存性を説明する図である。It is a figure explaining the frequency dependence of the reflection coefficient of the electric signal of an optical modulator. 光変調器の電気信号の透過係数の周波数依存性を説明する図である。It is a figure explaining the frequency dependence of the transmission coefficient of the electric signal of an optical modulator. 光変調素子の模式図である。It is a schematic diagram of a light modulation element. 本発明の他の実施の形態にかかる光変調器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical modulator concerning other embodiment of this invention. 従来の光変調器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical modulator.

符号の説明Explanation of symbols

1…光信号入力端、2…光信号出力端、3…第1の電気信号線、4…第2の電気信号線、5…可変容量、7…逆バイアス電圧制御端子、8…電気信号駆動系入力終端側、9…電気信号駆動系出力終端側、10…光変調素子、11…電気/光相互作用領域、51…可変容量ダイオード、81…入力終端抵抗、91…出力終端抵抗、111…基板、112…第1半導体層、113…半導体層、114…第2半導体層、115,116…電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical signal input terminal, 2 ... Optical signal output terminal, 3 ... 1st electric signal line, 4 ... 2nd electric signal line, 5 ... Variable capacity, 7 ... Reverse bias voltage control terminal, 8 ... Electric signal drive System input termination side, 9 ... Electric signal drive system output termination side, 10 ... Light modulation element, 11 ... Electric / optical interaction region, 51 ... Variable capacitance diode, 81 ... Input termination resistance, 91 ... Output termination resistance, 111 ... Substrate, 112 ... first semiconductor layer, 113 ... semiconductor layer, 114 ... second semiconductor layer, 115, 116 ... electrodes.

Claims (7)

入力された光信号と電気信号とが相互作用する相互作用領域を備え、前記光信号を前記電気信号に応じて変調出力する光変調器において、
前記相互作用領域に接続され、前記電気信号を出力終端抵抗に伝送する電気信号線と、
この電気信号線に対して並列に接続された可変容量と
を有することを特徴とする光変調器。
In an optical modulator that includes an interaction region in which an input optical signal and an electrical signal interact, and modulates and outputs the optical signal according to the electrical signal.
An electrical signal line connected to the interaction region and transmitting the electrical signal to an output termination resistor;
An optical modulator comprising: a variable capacitor connected in parallel to the electric signal line.
前記可変容量は、第1の導電型の第1の半導体層と第2導電型の第2の半導体層とを少なくとも備えた半導体積層構造を有する
ことを特徴とする請求項1記載の光変調器。
The optical modulator according to claim 1, wherein the variable capacitor has a semiconductor stacked structure including at least a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer of a second conductivity type. .
前記相互作用領域は、前記半導体積層構造と同一の半導体積層構造を有する
ことを特徴とする請求項2記載の光変調器。
The optical modulator according to claim 2, wherein the interaction region has the same semiconductor multilayer structure as the semiconductor multilayer structure.
前記可変容量と前記相互作用領域とは、同一基板上に集積される
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の光変調器。
The optical modulator according to claim 1, wherein the variable capacitor and the interaction region are integrated on the same substrate.
前記可変容量は、前記相互作用領域から出力された前記電気信号を反射する
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の光変調器。
The optical modulator according to claim 1, wherein the variable capacitor reflects the electrical signal output from the interaction region.
入力された光信号と電気信号とを相互作用領域で相互作用させて、前記光信号を前記電気信号に応じて変調出力する光変調器の応答特性制御方法において、
前記相互作用領域に接続され前記電気信号を出力終端抵抗に伝送する電気信号線に対して並列に接続された可変容量の容量を変化させることにより、前記電気信号に応じて変調出力される前記光信号の応答の度合いを変化させる
ことを特徴とする特性制御方法。
In a response characteristic control method of an optical modulator that causes an input optical signal and an electric signal to interact in an interaction region and modulates and outputs the optical signal according to the electric signal.
The light that is modulated and output in accordance with the electric signal by changing the capacitance of a variable capacitor connected in parallel to the electric signal line that is connected to the interaction region and transmits the electric signal to an output termination resistor. A characteristic control method characterized by changing the degree of response of a signal.
前記可変容量の容量の変化量に応じて、前記相互作用領域から出力された前記電気信号を反射させる度合いを変化させる
ことを特徴とする請求項6記載の特性制御方法。
The characteristic control method according to claim 6, wherein the degree of reflection of the electric signal output from the interaction region is changed according to a change amount of the variable capacitor.
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