JP2013054134A - 光変調器モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバーから見た際の高周波電気信号の電気的反射Ｓ₁₁が小さな光変調器モジュールを提供する。
【解決手段】基板に形成された光導波路と、基板の一方の面側に形成され、光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極とからなる光変調器と、光変調器の電極に接続され、当該電極を通過した高周波電気信号を終端する電気的終端と、光変調器と電気的終端とを収納する筐体とを有する光変調器モジュールにおいて、電気的終端は、高周波電気信号が入力される電気的終端用中心導体と電気的終端用接地導体とを備え、入力される高周波電気信号を吸収してジュール熱に変換する抵抗膜が、第１抵抗膜として電気的終端用中心導体と電気的終端用接地導体とを高周波電気信号の搬送方向と交わる向きで接続して配置されるとともに、第２抵抗膜として電気的終端用中心導体を伝搬する高周波電気信号を遮る位置に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は駆動電圧が低く、かつ高速で変調が可能な光変調器モジュールに関する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れた伝送特性から１．５５μｍ帯の２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

このＬＮ光変調器にはｚ−カットＬＮ基板を使用するタイプとｘ−カットＬＮ基板（あるいはｙ−カットＬＮ基板）を使用するタイプがある。ここでは、従来技術としてｚ−カットＬＮ基板と２つの接地導体を有し、基本モードの伝搬に有利なコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｚ−カットＬＮ光変調器をとり上げる。

実際に光伝送システムにおいて光変調器を使用する場合には、電気的終端をパッケージ（あるいは筐体）の中に実装したモジュールの形態であるので、ここでは光変調器モジュールとして議論する。なお、以下の議論はｘ−カットＬＮ基板やｙ−カットＬＮ基板でも同様に成り立つ。

光変調器モジュールの例として、特許文献１に開示されているｚ−カットＬＮ光変調器モジュール１００をとり上げ、その模式的な上面図を図６に示す。ＬＮ光変調器５０が矩形状の筺体であるパッケージ７の内部に配置されている。１はｚ−カットＬＮ基板である（実際にはこの上にＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層を形成するがここでは省略する）。２はｚ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。ＣＰＷ進行波電極は中心導体３ａ、接地導体３ｂ、３ｃからなっている。４は外部回路であるドライバーであり、５は信号源、６はＤＣ成分をカットするコンデンサである。なお、ＤＱＰＳＫ型のＬＮ光変調器モジュールでは複数のマッハツェンダ光導波路をネスト状に用いる。

パッケージ７の中にはＬＮ光変調器５０の他に電気的終端８も内蔵されている。ここで、９はパッケージ７に設けたバイアス用端子、１０は抵抗値Ｒ_Ｂのバイアス抵抗、１１と１２は高周波用コンデンサ、１３は抵抗値Ｒ_Ｌの終端抵抗、１４はキャパシタンスＣ_１４の低周波用コンデンサである。図７に図６に示したｚ−カットＬＮ光変調器モジュールの等価回路図を示す。１５はバイアス電圧V_ｂを出力するバイアス電源であり、通常オペアンプにより構成されている。なお、通常、これらの電気部品はアルミナ基板や窒化アルミなどの誘電体基板の上に搭載されている。

１６はｚ−カットＬＮ光変調器のチップのＣＰＷ進行波電極を分布定数表現したものであり、１７はインダクタンス、１８は電極材料のＡｕに起因する抵抗、１９はキャパシタンス、２０はコンダクタンスに対応している。

次に、このように構成されるＬＮ光変調器モジュールの動作について説明する。このＬＮ光変調器モジュールを動作させるには、ドライバー４から中心導体３ａと接地導体３ｂ、３ｃ間に高周波電気信号を印加するとともに、電気的端点Ａからバイアス電圧を印加する。

図８にＬＮ光変調器モジュールの電圧−光出力特性を示す。ここで、Ｖ_ｂはその際のバイアス電圧（ここでは、ＤＣバイアス電圧）である。この図８に示すように、通常、バイアス電圧Ｖ_ｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。バイアスＶ_ｂを適正に印加することはＬＮ光変調器モジュールの特性を有効に引き出すために極めて重要である。

ここで、この従来技術の問題点について考察する。図６に示した従来技術の電気的終端８のコンデンサー以外の部分に対応する抵抗部Ｉについてその拡大図を図９に示す。ここで、２１は電気的終端用基板、２２は電気的終端用中心導体、２３は電気的終端用接地導体である。２５は電気的終端用中心導体２２に伝搬した高周波電気信号である。

この高周波電気信号２５の多くは、電気的終端用中心導体２２と電気的終端用接地導体２３との間に設けられた抵抗膜２４ａ、２４ｂに伝搬し、そこでジュール熱に変換される。図９では抵抗膜２４ａ、２４ｂに伝搬した高周波電気信号を２６ａ、２６ｂとして示している。

ところが、図９に示した従来技術では高周波電気信号２５の一部が漏れた高周波電気信号４１として電気的終端用中心導体２２の端部２２ａで反射し、反射戻り信号２７としてドライバー４まで戻ることになる。このように、漏れた高周波電気信号４１は電気的反射Ｓ_１１を劣化させてしまう。

図１０にはドライバー４からＬＮ変調器モジュールを見た高周波電気信号の電気的反射Ｓ_１１の周波数依存性を示す。図１０からこの従来技術では反射戻り信号４１に起因する電気的反射Ｓ_１１が周波数とともに著しく劣化していることがわかる。

特開２００３−２９５１３９号公報

以上のように、従来技術では電気的終端用中心導体に伝搬した高周波電気信号のうち、漏れた高周波電気信号が電気的終端用中心導体の端部で反射し、反射戻り信号としてドライバーまで戻り、ドライバーから光変調器モジュールを見た際の電気的反射Ｓ₁₁を劣化させることになる。そのため、これらの問題を解決して特性的に充分な電気的反射Ｓ₁₁を実現できる光変調器モジュールの実現が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高周波電気信号の電気的反射Ｓ₁₁が小さな光変調器モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光変調器モジュールは、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極とからなる光変調器と、前記光変調器の前記電極に接続され、当該電極を通過した高周波電気信号を終端する電気的終端と、前記光変調器と前記電気的終端とを内部に配置する筐体と、を有する光変調器モジュールにおいて、前記電気的終端は、前記高周波電気信号が入力される電気的終端用中心導体と、前記電気的終端用中心導体と所定間隔を有した位置で前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号の伝搬方向に並んで形成された電気的終端用接地導体とを備え、また、入力される前記高周波電気信号を吸収してジュール熱に変換する抵抗膜が、第１抵抗膜として前記電気的終端用中心導体と前記電気的終端用接地導体とを前記高周波電気信号の搬送方向と交わる向きで接続して配置されているとともに、第２抵抗膜として前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号を遮る位置に配置されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載の光変調器モジュールは、請求項１に記載の光変調器モジュールにおいて、前記第２抵抗膜が、前記電気的終端用接地導体の前記高周波電気信号伝搬方向側の端に配置されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載の光変調器モジュールは、請求項１に記載の光変調器モジュールにおいて、前記電気的終端用中心導体が、前記高周波電気信号伝搬方向に沿って順に第１中心導体と第２中心導体とを含む少なくとも２つ以上の複数で構成され、前記第１中心導体と前記第２中心導体との間に前記第２抵抗膜が配置されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の光変調器モジュールは、請求項３に記載の光変調器モジュールにおいて、前記第２中心導体と前記電気的終端用接地導体との間に、前記第１抵抗膜が配置されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項５に記載の光変調器モジュールは、請求項１に記載の光変調器モジュールにおいて、前記電気的終端用中心導体が、前記高周波電気信号伝搬方向に沿って複数で構成され、複数の前記電気的終端用中心導体間に前記第２抵抗膜が配置されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項６に記載の光変調器モジュールは、請求項５に記載の光変調器モジュールにおいて、記複数の電気的終端用中心導体のうちの前記高周波電気信号伝搬方向における最後尾の電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号伝搬方向側端に、前記第２抵抗膜がさらに配置されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項７に記載の光変調器モジュールは、請求項３乃至６のいずれか一項に記載の光変調器モジュールにおいて、前記複数の前記電気的終端用中心導体のうちの少なくとも一部が互いに接続されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項８に記載の光変調器モジュールは、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器モジュールにおいて、前記第１抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向と交わる向きにおける両側に形成されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項９に記載の光変調器モジュールは、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器モジュールにおいて、前記第１抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向と交わる向きにおける一方側のみに形成されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１０に記載の光変調器モジュールは、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光変調器モジュールにおいて、前記基板が半導体基板であることを特徴としている。

本発明によれば、電気的終端からドライバーへの高周波電気信号の戻り量を著しく小さくできるので、その結果良好な電気的反射Ｓ₁₁を実現することができる。

本発明に係る光変調器モジュールの電気的終端の一部を示す図 本発明の効果を説明する図 本発明に係る光変調器モジュールの第２の実施形態を示す図 本発明に係る光変調器モジュールの第３の実施形態を示す図 本発明に係る光変調器モジュールの第４の実施形態を示す図 従来技術に係る光変調器モジュールの模式的な上面図 従来技術に係る光変調器モジュールの等価回路図 従来技術に係る光変調器モジュールの動作を説明する図 従来技術に係る光変調器モジュールの電気的終端の一部を示す図 従来技術の問題点を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図６〜図９に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態のＬＮ光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部についてその模式的な上面図を示す。この第１の実施形態では、従来と同様の抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´（第１抵抗膜）に加え、電気的終端用中心導体用として、電気的終端用中心導体２２´を伝搬する高周波電気信号の伝搬方向側の端に、新たに抵抗膜２８（第２抵抗膜）を設けている。なお、抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´、２８の材料は、例えばニクロムや窒化タンタルなどをあげることができるが、その他の材料でも良いことは言うまでもない。

電気的終端用中心導体２２´に高周波電気信号２５が入射すると、図９に示した従来技術と同様にその大部分は抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´を伝搬することによりジュール熱に変換されるが、高周波電気信号２５の一部は抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´により吸収されずに、漏れた高周波電気信号４１として電気的終端用中心導体２２を伝搬する。

そして本実施形態の構造をとることにより、この漏れた高周波電気信号４１を電気的終端用中心導体２２´の長手方向側の端に設けた抵抗膜２８により吸収することができる。なお、図１において２９は抵抗膜２８に伝搬する高周波電気信号であり、抵抗膜２８により吸収される（ジュール熱に変換される）様子を表している。

従って、本発明では電気的終端用中心導体２２´の端部２２ａ´による電気的反射がほとんど生じないので、図２に示すように、不図示のドライバーから不図示のＬＮ変調器モジュールを見た際に大幅に改善された電気的反射Ｓ_１１特性を実現できる。

［第２の実施形態］
図３に、本発明の第２の実施形態のＬＮ光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、図１に示した第１の実施形態の変形形態を示す。

この第２の実施形態においては、電気的終端用中心導体を高周波電気信号２５の伝搬方向に２２´´と２２´´´（第１中心導体と第２中心導体）に分割し、２２´´と２２´´´の間に抵抗膜２８´（第２抵抗膜）を設けている。そして従来と同様の抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´（第１抵抗膜）を、高周波電気信号伝搬方向後段側の電気的終端用中心導体２２´´´と接地導体２３との間に配置している。

電気的終端用中心導体２２´´に高周波電気信号２５が入射すると、その一部もしくは大部分は抵抗膜２８´を伝搬することにより吸収されジュール熱に変換されるが、ある程度の割合は抵抗膜２８´では吸収されずに、漏れた高周波電気信号４２として電気的終端用中心導体２２´´´を伝搬する。この漏れた高周波電気信号４２は抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´に３３ａ、３３ｂとして伝搬し、抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´により吸収され、ジュール熱に変換される。
本実施形態では高周波電気信号２５に抵抗膜２８´を伝搬させることによりある程度減衰させた後に、抵抗２４ａ´、２４ｂ´によりさらに減衰させるので、第１の実施形態と同様かそれ以上の優れた電気的反射Ｓ_１１特性を実現できる。

［第３の実施形態］
図４に、本発明の実施形態のＬＮ光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、第２の実施形態の変形形態を示す。本第３の実施形態では、電気的終端用中心導体２２´´と２２´´´との間に設けた抵抗膜２８´´の面積（あるいは幅）を、図３に示した第２の実施形態に設けた抵抗膜２８´の面積（あるいは幅）よりも広くしている。このように構成することにより、抵抗膜２８´´での熱放散の効率が改善されるので、高周波電気信号２５のパワーがより大きくなっても壊れにくいという特徴がある。

なお、図３に示しているように、抵抗膜２８´´と接地導体２３とのギャップＷ´と、電気的終端用中心導体２２´´´と接地導体２３とのギャップＷとは、高周波電気信号としての特性インピーダンスを考慮して互いに異ならしめても良いし、影響は小さいとして互いに同じとしても良いことは言うまでもない。

さらに、抵抗膜の幅を電気的終端用中心導体の幅よりも広くするという考え方は、本実施形態以外の全ての実施形態にも適用可能である。

また、本実施形態での説明においては、説明を簡単にするために電気的終端用中心導体２２´´と２２´´´とは完全に電気的に分離されており、それらを抵抗膜２８´´が電気的に接続するとしたが、電気的終端用中心導体２２´´と２２´´´とは完全に電気的に分離されていなくても高周波電気信号にとって抵抗膜２８´´が見える程度に（換言すると、高周波電気信号が抵抗膜２８´´でジュール熱に変換されるように）電気的終端用中心導体２２´´と２２´´´とが電気的に接続されていても良いことは言うまでもない。つまり、電気的終端用中心導体２２´´と２２´´´との間が、幅の狭くなったあるいは厚みが薄くなった電気的終端用中心導体で接続されていても良い。なお、このように互いに接続された電気的終端用中心導体は電気的には完全に絶縁されていないので単一の電気的終端用中心導体と言うこともできるが、実質的には複数の電気的終端用中心導体である。また、この接続構造は、電気的終端用中心導体が分離配置された他の実施形態においても適用することができる。

［第４の実施形態］
図５に、本発明の実施形態のＬＮ光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、第４の実施形態を示す。２２´´と２２´´´´は電気的終端用中心導体（複数の中心導体）であり、２８と２８´は抵抗膜（第２抵抗膜）である。この第４の実施形態は、いわば図１に示した第１の実施形態と図３に示した第２の実施形態を組み合わせた構造となっている。

つまり、不図示の高周波電気信号を抵抗膜２８´によりある程度吸収させた後に抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´により減衰させ、さらに漏れた高周波電気信号４３を抵抗膜２８により完全に吸収するという構成である。従って、本実施形態を用いることにより極めて優れた電気的反射Ｓ_１１特性を実現することができる。

なお、抵抗膜２４ａ´と２４ｂ´はどちらか一方のみの構成としても良い。また、電気的終端用中心導体の高周波電気信号２５の伝搬方向に設ける抵抗膜は２８、２８´の２つとして説明したが、３つ以上設けても良い。そしてこのことは本発明の全ての実施形態について言うことができる。

さらに抵抗膜２８、２８´と抵抗膜２４ａ´、２４ｂ´とは、電気的終端用中心導体２２´´、２２´´´´の長手方向（高周波電気信号２５の伝搬方向）において、少なくとも一部が電気的に接続された構成となっていても良いことは言うまでもない。

［各種実施形態］
以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。そしてＤＱＰＳＫ型の光変調器などマッハツェンダ型光導波路をネスト状に組み合わせた構造や、シングル電極、あるいはＤｕａｌ電極などについても本発明は勿論有効である。また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。

さらに、以上の実施形態はｘ−カット、ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸、ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板にも適用可能であるし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良い。また、基板が半導体の場合についても本発明を適用できる。

以上のように、本発明に係る光変調器モジュールは、安価で、歩留まりが良い光変調器モジュールとして有用である。

１：ｚ−カットＬＮ基板（基板、ＬＮ基板）
２：光導波路
３ａ：中心導体
３ｂ、３ｃ：接地導体
４：ドライバー
５：信号源
６：コンデンサ
７：パッケージ（筐体）
８：電気的終端
９：バイアス用端子
１０：バイアス抵抗
１１、１２：高周波用コンデンサ
１３：終端抵抗
１４：低周波用コンデンサ
１５：バイアス電源
１６：ＣＰＷ進行波電極の分布定数表現
１７：インダクタンス
１８：抵抗
１９：キャパシタンス
２０：コンダクタンス
２１：電気的終端用基板
２２、２２´、２２´´´、２２´´´´：電気的終端用中心導体
２２ａ、２２ａ´：電気的終端用中心導体２２、２２ａ´の端部
２３：電気的終端用接地導体
２４ａ、２４ｂ、２４ａ´、２４ｂ´：抵抗膜（第１抵抗膜）
２８、２８´、２８´´：抵抗膜（第２抵抗膜）
２５、２６ａ、２６ｂ、３３ａ、３３ｂ：高周波電気信号
２７：反射戻り信号
４１、４２、４３：漏れた高周波電気信号
２９：伝搬する漏れた高周波電気信号
５０：ＬＮ光変調器
１００：ＬＮ光変調器モジュール

Claims (10)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極とからなる光変調器と、
   前記光変調器の前記電極に接続され、当該電極を通過した高周波電気信号を終端する電気的終端と、
   前記光変調器と前記電気的終端とを内部に配置する筐体と、を有する光変調器モジュールにおいて、
   前記電気的終端は、前記高周波電気信号が入力される電気的終端用中心導体と、前記電気的終端用中心導体と所定間隔を有した位置で前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号の伝搬方向に並んで形成された電気的終端用接地導体とを備え、
   また、入力される前記高周波電気信号を吸収してジュール熱に変換する抵抗膜が、第１抵抗膜として前記電気的終端用中心導体と前記電気的終端用接地導体とを前記高周波電気信号の搬送方向と交わる向きで接続して配置されているとともに、第２抵抗膜として前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号を遮る位置に配置されていることを特徴とする光変調器モジュール。
2. 前記第２抵抗膜が、前記電気的終端用接地導体の前記高周波電気信号伝搬方向側の端に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器モジュール。
3. 前記電気的終端用中心導体が、前記高周波電気信号伝搬方向に沿って順に第１中心導体と第２中心導体とを含む少なくとも２つ以上の複数で構成され、
   前記第１中心導体と前記第２中心導体との間に前記第２抵抗膜が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器モジュール。
4. 前記第２中心導体と前記電気的終端用接地導体との間に、前記第１抵抗膜が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光変調器モジュール。
5. 前記電気的終端用中心導体が、前記高周波電気信号伝搬方向に沿って複数で構成され、
   複数の前記電気的終端用中心導体間に前記第２抵抗膜が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器モジュール。
6. 前記複数の電気的終端用中心導体のうちの前記高周波電気信号伝搬方向における最後尾の電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号伝搬方向側端に、前記第２抵抗膜がさらに配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光変調器モジュール。
7. 前記複数の前記電気的終端用中心導体のうちの少なくとも一部が互いに接続されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
8. 前記第１抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向と交わる向きにおける両側に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
9. 前記第１抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向と交わる向きにおける一方側のみに形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
10. 前記基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
    

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