JP2013068917A - 光変調器モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】大きな高周波電気信号が入力されても熱破壊されることのない高い信頼性を有する光変調器モジュールを提供する。
【解決手段】基板と、光を導波するための光導波路と、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、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、電気的終端用中心導体と並んで形成された電気的終端用接地導体と、電気的終端用中心導体と電気的終端用接地導体とを接続し、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とを備え、抵抗膜の幅は電気的終端用接地導体に向かって少なくとも一部が徐々に狭まって形成されている。
【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との間に接続して設けられた一定幅Ｗ、長さＬでなる抵抗膜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。

図１０には抵抗膜２４ａを伝搬する高周波電気信号２６ａの伝搬距離ｚを変数とした場合に抵抗膜２４ａにおいて生じるジュール熱量の総量を示す。図１０からわかるように、ジュール熱量はｚが小さい場合には大きく、ｚが大きくなるにつれて急速に減少する。

図１１には抵抗膜２４ａを伝搬する高周波電気信号２６ａの伝搬距離ｚを変数とした場合に抵抗膜２４ａの単位面積当たりに生じるジュール熱量を示す。なお、図１１には抵抗膜２４ａの熱による破壊限界も点線により示している。
図１１からわかるように、図９に示した従来技術では高周波電気信号２６ａの伝搬距離ｚが小さい領域において抵抗膜２４ａを構成するＮｉＣｒなどの材料が熱により破壊されてしまう。

なお、以上においては図９における図の左半分についてのみ議論したが、右半分（抵抗膜２４ｂ）についても同じことが成り立つ。

特開２００３−２９５１３９号公報

以上のように、従来技術では抵抗膜に伝搬した高周波電気信号がジュール熱に変換される場合に、抵抗膜が熱破壊されてしまうという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、熱破壊に強い抵抗膜を具備する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、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接続し、接続された前記電気的終端用中心導体から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とを備え、前記抵抗膜の幅は、前記電気的終端用中心導体に接している位置において所定幅を有するとともに、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かう途中位置において当該所定幅よりも狭い幅を有してなり、当該抵抗膜の幅は前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かって少なくとも一部が徐々に狭まって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、前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって連続的に狭ま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、前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって不連続的に狭ま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１または２に記載の光変調器モジュールにおいて、前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって非線形形状で狭ま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乃至４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。

本発明によれば、高周波電気信号の伝搬する初期の領域では、電気的終端用中心導体に接する抵抗膜の幅を広くしているので、抵抗膜の単位面積当たりに発生するジュール熱を抵抗膜の破壊限界より小さくすることができ、高信頼な光変調器モジュールを実現することができる。

本発明の第１の実施形態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 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１１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。本発明における第１の実施形態において特徴的な構成は、抵抗膜２７ａについて高周波電気信号２６ａの伝搬距離ｚが延びるとともに（換言すれば、抵抗膜２７ａが電気的終端用中心導体２２から電気的終端用接地導体２３へ向かうとともに）抵抗膜２７ａの幅をＷ_１からＷ_２へと直線的に連続的に狭めていることである。なお、抵抗膜２７ａについての議論は抵抗膜２７ｂについても同様と言うことができるので、説明を簡単にするために、ここでは図１における左半分（抵抗膜２７ａ）についてのみで議論する。

図２には抵抗膜２７ａを伝搬する高周波電気信号２６ａの伝搬距離ｚを変数とした場合における、抵抗膜２４ａの単位面積当たりに生じるジュール熱量を示す。なお、図２には図１１に示した従来のジュール熱量と抵抗膜の破壊限界も破線で図示している。

図２からわかるように、図１に示した抵抗膜２７ａはｚが小さい領域（電気的終端用中心導体に接する位置およびその近傍の領域）において従来よりも幅を広く構成しているので、単位面積当たりに生じるジュール熱量について抵抗膜２７ａを構成する材料の熱破壊限界以下に抑えることができる。

さらに、抵抗膜２７ａ、２７ｂに求められる抵抗値は幅の変化を考慮して決定することができるので、ｚが大きい領域における幅を狭くすることで所望の抵抗値を実現できる。詳しく説明すれば、ｚが小さい領域では抵抗膜２７ａ、２７ｂの幅は広いので抵抗値は低い値を持つがｚが大きくなると抵抗膜２７ａ、２７ｂの幅は狭くなるので抵抗値は高くなる。従って全体として所望（一般に３５〜５０Ω程度）の抵抗値を実現することが可能となる。

なお、抵抗膜２７ａ、２７ｂ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。

以上は図１における左半分（抵抗膜２７ａ）についてのみで議論してきたが、もちろん右半分（抵抗膜２７ｂ）に関しても同様と言うことができ、さらに左右が完全にミラー対称でなくても本発明に属すると言うことができる。図１では抵抗膜２７ａ、２７ｂの幅は直線的に変えた構造を示しているが、曲線的に変えても良いし、不連続に変えても良いことは言うまでもない。以上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。

［第２の実施形態］
図３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の実施形態を示す。

この第２の実施形態においては、抵抗膜２８ａ、２８ｂの幅を電気的終端用中心導体２２から電気的終端用接地導体２３に向かって不連続に（階段状に）狭めている。このように構成しても高周波電気信号の伝搬距離ｚが小さい領域では抵抗膜２８ａ、２８ｂの幅がＷ_３と広く、ｚがある程度の大きさになったらＷ_４と小さく構成しているので、本発明としての効果を奏することができる。なお、図３では不連続の段数は１段であるが、これより多い段数でも良いことは言うまでもない。

［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３の実施形態を示す。

この第３の実施形態においては、抵抗膜２９ａ、２９ｂの幅を非線形の形状で狭めている。ここでは、抵抗膜２９ａ、２９ｂの幅をＷ_５からＷ_６へと変化させている。

実際には、抵抗膜２９ａ、２９ｂで発生するジュール熱量はｅｘｐ（−ｚ）の関数形に従ってｚが小さい場合には大きく、ｚが大きくなるにつれて急速に減少するので、図４の構成のように抵抗膜２９ａ、２９ｂの幅を非線形に変化させる方が好適であってしかもＷ_５を広くできるので、ジュール熱による破壊に対してより強くなると言うことができる。

［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。

図４の第３の実施形態では、抵抗膜２９ａ、２９ｂの幅を直線よりも急激に狭くする非線形形状としたが、図５に示すように、逆に直線よりも緩やかに狭くした非線形の形状としても良い。

本実施形態は、図４に示した第３の実施形態に比較して熱破壊限界以下に抑える効果は小さいものの、抵抗膜の幅が高周波電気信号の伝搬とともに幅が狭くなっていれば本発明としての効果を奏することができる。

［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。

抵抗膜は電気的終端の中心導体の両側にある、いわゆるＣＰＷ型の終端抵抗を用いて説明してきたが、第１〜第４の実施形態で示したような電気的終端用中心導体をセンターとした左右の抵抗膜が完全にミラー対称の構成でなくてもよい。また、抵抗膜が電気的終端の中心導体の片側のみにある非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）型、マイクロストリップ型でも良い。さらには、１つの抵抗膜の左右（例えば図１の抵抗膜２７ａにおける高周波電気信号２６ａをセンターとした場合の左右）の構成を組み合わせるようにしてもよい。例えば、右側を図１のような直線状、左側を図４の非線形状などとしてもよい。つまるところ、抵抗膜の単位面積当たりに発生するジュール熱が抵抗膜の破壊限界より小さくなるように、抵抗膜の幅が高周波電気信号の伝搬方向に向かって徐々に狭くなって構成されていれば、本発明の思想に属することになる。

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：電気的終端用中心導体
２３：電気的終端用接地導体
２４ａ、２４ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂ：抵抗膜
２５、２６ａ、２６ｂ：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 (5)

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、
   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接続し、接続された前記電気的終端用中心導体から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とを備え、
   前記抵抗膜の幅は、前記電気的終端用中心導体に接している位置において所定幅を有するとともに、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かう途中位置において当該所定幅よりも狭い幅を有してなり、当該抵抗膜の幅は前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かって少なくとも一部が徐々に狭まって形成されていることを特徴とする光変調器モジュール。
2. 前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって連続的に狭ま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. 前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって不連続的に狭ま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. 前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって非線形形状で狭まることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器モジュール。
5. 前記抵抗膜が、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４のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
   

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