JP2010060580A - 光導波路素子モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】
光導波路素子の変調電極が有するインピーダンスと、光導波路素子の外部から変調信号を入力する伝送線路のインピーダンスとが異なる場合でも、変調信号の反射を抑制し、かつ、変調信号の減衰を抑制可能な光導波路素子モジュールを提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する材料で構成される基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極３とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタ８と、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板７上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子モジュールに関し、特に、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールに関する。
従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光変調器など、電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
これらの光導波路素子では、光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極が設けられ、該変調電極には外部信号線が接続されるコネクタにより変調信号が入力されている。このため、外部信号線から変調電極に効率良く変調信号が入力されるためには、外部信号線と変調電極との間でインピーダンス整合を図り、伝送線路における変調信号の反射を防止することが必要である。
図１は、光導波路素子モジュールの一例を示したものである。光導波路素子は、電気光学効果を有する材料で構成される基板１に、光導波路２を形成し、該光導波路２を伝搬する光波を変調する変調電極３（変調電極には信号電極と接地電極があるが、図１では簡略化のため信号電極の配置のみを図示している。）などで構成される。光導波路素子には、光波を入力するための入力用光ファイバ４や、変調された光波を出力するための出力用光ファイバ５が接続されている。光導波路素子は筐体９内に気密封止状態で収容され、光導波路素子モジュールを構成している。光導波路素子の変調電極３には、光導波路素子モジュールの外部に設けられた駆動用ドライバ６から変調信号がコネクタ８を介して印加されている。
駆動用ドライバ６からコネクタ８までのインピーダンスは、通常、５０Ωに設定されており、仮に、光導波路素子の変調電極のインピーダンスが４０Ωの場合には、上述したように、伝送線路のインピーダンスの不整合により、コネクタ８と変調電極３との間で変調信号の反射が発生する。このような不具合を解消するため、コネクタ８と光導波路素子との間に中継基板７を設け、図２に示すように該中継基板７に抵抗１１（この場合は１０Ω抵抗器）を配置し、コネクタ８から見て光導波路素子側のインピーダンスを見かけ５０Ωとすることが行われている。
このようなインピーダンス調整方法は、変調信号であるマイクロ波の反射抑制には一定の効果があるものの、抵抗１１によりマイクロ波の減衰が発生し、変調信号が光導波路素子に効果的に印加され難くなるという問題を生じる。
他方、光導波路素子の電気／光変換応答を低周波域から高周波域までフラットな周波数特性とするため、図３に示すようなフィルタ回路などを組み込んだ中継基板７を用いることも提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−１０９４２号公報
図３は、コンデンサ１２と抵抗１３を並列で接続したハイパスフィルタであり、高周波域の変調信号を通過し易くすることにより、電気／光変換応答特性が高周波域で低下するのを抑制している。
しかしながら、光導波路素子、特に変調電極３のインピーダンスと光導波路素子モジュールの外部の信号線路のインピーダンスが異なる場合には、上述したように変調信号の反射が発生し、変調信号が効率的に変調電極に印加され難くなる。
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路素子の変調電極が有するインピーダンスと、光導波路素子の外部から変調信号を入力する伝送線路のインピーダンスとが異なる場合でも、変調信号の反射を抑制し、かつ、変調信号の減衰を抑制可能な光導波路素子モジュールを提供することである。
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制することを特徴とする。
本発明における「光導波路素子モジュール」とは、光導波路素子に中継線路が接続されているものを意味し、図１に示すように、一つの筐体９内に収容されているものに限られない。また、「中継線路」とは、変調信号を伝搬するだけの単純な信号線路に限らず、フィルタ回路などの変調信号を調整する回路を有する線路も含む。
請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であること特徴とする。
請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さであることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の２分の１未満であることを特徴とする。
請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスは段階的に変化し、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さは変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満であることを特徴とする。
請求項６に係る発明では、請求項２乃至５のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は、該信号電極と該接地電極とのギャップが、コネクタ側から光導波路素子側に向かって狭くなるように調整されていることを特徴とする。
請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整されていることを特徴とする。
請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制するため、変調信号を効率的に変調電極に印加でき、かつ、中継線路における変調信号の減衰も抑制することが可能となる。
請求項２に係る発明により、中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であるため、中継線路のインピーダンス調整を、例えば、信号電極と接地電極との電極間隔の調整等で容易に行うことができ、光導波路素子モジュールの部品点数を増加させることがなく、また、製造プロセスを複雑化させることもない。
請求項３に係る発明により、中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さであるため、中継線路内でマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。
請求項４に係る発明により、中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の２分の１未満であるため、中継線路内でマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。
請求項５に係る発明により、中継線路のインピーダンスは段階的に変化し、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さは変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満であるため、各段階を構成するブロックの内部にてマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。
請求項６に係る発明により、中継線路は、信号電極と接地電極とのギャップが、コネクタ側から光導波路素子側に向かって狭くなるように調整されているため、インピーダンスの調整に際して、光導波路素子モジュールの部品点数を増加させることがなく、また、製造プロセスを複雑化させることもない。
請求項７に係る発明により、中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整されているため、例えば、信号電極や接地電極の形状・配置を変更、又は大幅に変更することなく、インピーダンスを段階的又は連続的に変化させることも可能となる。
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制することを特徴とする。
本発明の光導波路素子モジュールは、中継基板７に形成された中継線路のインピーダンスを調整したこと以外は、図１に示すような従来のものと基本的な構造に差異はない。このため、従来の製造工程を大きく変えずに、変調信号の反射や減衰を抑制し、変調電極に効率良く変調信号を印加することが可能となる。
本発明が適用される光導波路素子について説明する。
基板１は、電気光学効果を有する基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、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、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。
光導波路２は、いわゆるマッハツェンダ型光導波路であり、基板１上に、例えばチタン（Ｔｉ）などを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることで形成することができる。また、別の方法として、特許文献４に示すように光導波路に対応する部分にリッジ構造を形成し、光導波路を構成することも可能である。さらに上述のＴｉ等を利用する方法とリッジ構造とを併用することも可能である。
特開平６−２８９３４１号公報
光導波路２を伝搬する光波を変調するため、光導波路２の上側や近傍には、必要に応じて変調電極が配置される。
変調電極は、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、基板１の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、変調電極は、変調信号（ＡＣ信号又はＤＣ信号）を伝搬する信号電極３と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。
また、特に図示してないが、基板１と上述した変調電極との間にはＳｉＯ２などのバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、変調電極から印加される変調信号と、光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。
本発明の光導波路素子モジュールでは、中継基板に形成される中継線路のインピーダンスを、図４に示すように連続的に又は段階的に調整し、外部信号線のインピーダンスＩ０と変調電極のインピーダンスＩ１との不整合に起因する変調信号の反射を抑制している。なお、外部信号線とは図１におけるコネクタ８から駆動用ドライバ６側の伝送線路を意味しており、中継線路は図１の中継基板７に形成される伝送線路を意味している。
中継線路のインピーダンスの調整方法としては、図５乃至７に示すように、中継線路を信号電極２１と接地電極２２とによるコプレーナ電極で構成し、信号電極２１と接地電極２２との電極間隔を連続的又は段階的に変化させる方法がある。
図５では、信号電極２１の入力側の幅Ｗ０と出力側の幅Ｗ１とを同じ幅に設定し、入力側の電極間隔Ｇ０より出力側の電極間隔Ｇ１を狭くなるように設定している。なお、矢印Ａは変調信号の伝搬方向を示している。
図６では、２つの接地電極２２の間隔を一定に保持しながら、信号電極２１の入力側の幅Ｗ０より出力側の幅Ｗ１の方が大きくなるように設定している。その結果、入力側の電極間隔Ｇ０より出力側の電極間隔Ｇ１が狭くなる。図５及び図６を組み合わせ、図５に示すように、２つの接地電極２２の間隔を徐々に狭くし、かつ、図６に示すように、信号電極２１の幅を徐々に大きくするよう構成することも可能である。
中継線路内で変調信号であるマイクロ波が定在波を形成すると、中継線路でマイクロ波が反射する機会が増加する。これを避けるため、中継線路の長さＬを、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さ、または、マイクロ波波長の２分の１未満の長さとすることにより、中継線路内でマイクロ波の定在波が発生するのを抑制することが可能となる。
次に、図７に示すように、中継線路のインピーダンスを段階的に変化させることも可能である。図７では、信号電極２１の入力側の幅Ｗ０と出力側の幅Ｗ１とを同じ幅に設定し、信号電極２１と接地電極２２との電極間隔（ｇ１〜ｇ３）を、入力側から出力側に向かって、段階的に減少させている。図７では、信号電極の幅を一定としたが、図６のように信号電極の幅が連続的に変化する形状や、段階的に増加する形状なども採用可能である。
図７のようにインピーダンスが段階的に変化する場合には、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さ（ｌ１〜ｌ３）は、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満の長さとすることにより、各段階を構成するブロックの中継線路内部にてマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。
また、中継線路のインピーダンスを変化させる方法として、図８（ａ）に示すように、信号電極２１の幅（Ｗ０，Ｗ１）や、信号電極２１と接地電極２２との間隔（Ｇ０，Ｇ１）を一定とし、中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整することも可能である。具体的には、図８（ａ）の矢印Ｂにおける断面図である図８（ｂ）のように、中継基板のベース板２３の材質を段階的に変化させる等の方法で誘電率を変化させたり、図示していないが、信号電極２１と接地電極との間、さらには信号電極２１と接地電極の一部を覆うような形状で誘電体を配置し、信号電極に沿って誘電率の異なる膜を段階的に形成する等して調整するよう構成することもできる。
図５乃至８に示した実施例では、中継線路のインピーダンスを調整する方法のみを開示しているが、これに組み合わせて、特許文献１のようなフィルタ回路を中継線路上に配置することも可能であることは、言うまでもない。
また、図４乃至図８では、中継線路のインピーダンスを光導波路素子側に向かって、段階的又は連続的に低下させるものを示したが、光導波路素子の変調電極のインピーダンスが外部信号線のインピーダンスより高い場合には、中継線路のインピーダンスは光導波路素子側に向かって、逆に増加するよう変化させることは、言うまでもない。
以上説明したように、本発明によれば、光導波路素子の変調電極が有するインピーダンスと、光導波路素子の外部から変調信号を入力する伝送線路のインピーダンスとが異なる場合でも、変調信号の反射を抑制し、かつ、変調信号の減衰を抑制可能な光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。
光導波路素子モジュールを説明するための概略図である。 中継基板に抵抗器を配置した例を示す図である。 中継基板にフィルタ回路を配置した例を示す図である。 中継線路及びその前後でのインピーダンスの変化の様子を示す図である。 本発明に係る中継基板の第１の実施例を示す図である。 本発明に係る中継基板の第２の実施例を示す図である。 本発明に係る中継基板の第３の実施例を示す図である。 本発明に係る中継基板の第４の実施例を示す図である。
符号の説明
１ 基板
２ 光導波路
３ 信号電極
４ 入力用光ファイバ
５ 出力用光ファイバ
６ 駆動用ドライバ
７ 中継基板
８ コネクタ
９ 筐体
１１，１３ 抵抗器
１２ コンデンサ
１１ 電気抵抗（膜体抵抗）
２１ 信号電極
２２ 接地電極
２３ ベース板

Claims (7)

  1. 電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、
    該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、
    該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、
    該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制することを特徴とする光導波路素子モジュール。
  2. 請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であること特徴とする光導波路素子モジュール。
  3. 請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さであることを特徴とする光導波路素子モジュール。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の２分の１未満であることを特徴とする光導波路素子モジュール。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスは段階的に変化し、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さは変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満であることを特徴とする光導波路素子モジュール。
  6. 請求項２乃至５のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は、該信号電極と該接地電極とのギャップが、コネクタ側から光導波路素子側に向かって狭くなるように調整されていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
  7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整されていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
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