JP2014224902A

JP2014224902A - 進行波電極型光変調器

Info

Publication number: JP2014224902A
Application number: JP2013104023A
Authority: JP
Inventors: 英一山田; Hidekazu Yamada; 硴塚　孝明; Takaaki Kakizuka; 孝明硴塚; 柴田　泰夫; Yasuo Shibata; 泰夫柴田; 菊池　順裕; Nobuhiro Kikuchi; 順裕菊池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP6088349B2

Abstract

【課題】インピーダンス整合条件および速度整合条件をともに満たすことができる進行波電極を有する光変調器を提供すること。【解決手段】光導波路１００は、基板１０と、各変調用電極１ａ〜１ｄに対応して光の伝搬方向に沿って分割して形成される変調用伝送線路１と、各変調用電極１ａ〜１ｄにそれぞれ接続される接続用電極２ａ〜２ｃを有する接続用伝送線路２とを含み、接続用伝送線路２の特性インピーダンスは、変調用伝送線路１と接続用伝送線路１とからなる特性インピーダンスがインピーダンス整合条件を満たすように設定され、接続用伝送線路２の長さは、光導波路１２を伝搬する光の伝搬速度と接続用伝送線路２を伝搬する高周波信号の伝搬速度との速度調整条件を満たすように設定される。【選択図】図１

Description

本発明はマッハツェンダ型光変調器などの光変調器に関し、特に、光変調器用の進行波型電極構造に関する。

光ファイバ通信においては、光を符号変調する外部変調器としてマッハツェンダ型の光強度変調器が用いられている。従来、干渉計を構成する光導波路としてニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の誘電体を用いたマッハツェンダ型光変調器が用いられていたが、近年、光導波路にＩｎＰやＧａＡｓ等の半導体材料を用いたマッハツェンダ光変調器が使用されるようになってきている。半導体マッハツェンダ光変調器は、ＬＮを用いた光変調器に比べて小型であるという特長があり、光送信装置の小型化を実現するための有望な技術である。

光変調器の応答速度は、通常は構成する素子の容量Ｃと終端抵抗ＲのＣＲ時定数により制限される。しかし、信号伝送線路の特性インピーダンスに等しい特性インピーダンスを持つ進行波伝送線路を構成し、入力端に信号を給電し、出力端を特性インピーダンスに等しい終端器で終端すると、ＣＲ時定数に制限されない応答速度を持つ進行波電極型光変調器を実現することができる。即ち、光導波路に電界を印加する変調電極が進行波伝送線路となるように構成することにより広帯域の光変調器を作製できる。そのためには、変調電極の伝送線路の特性インピーダンスを５０Ωにする必要がある。これはインピーダンス整合と呼ばれ、進行波電極を動作させるための条件である。

このインピーダンス整合条件を満たさない場合、すなわち、変調電極の伝送線路のインピーダンスが５０Ωにならない場合、光の反射によって進行波電極に効率的に電力が伝わらなくなり、変調効率が低下する。あるいは、終端反射した信号によって光が異常に変調され、入力信号のみにより生じるはずの光信号波形とは異なる劣化した光波形になることもある。さらには、入力側への光反射が大きい場合は変調器の駆動回路に及ぼす影響を無視できないこともあり得る。

光変調器では、進行波電極と光変調器の接地面との間に形成された光導波路に電界を印加して光に対して電界を作用させるようにしている。この場合の光変調器の構成として、進行波電極は光導波路に接触するように光導波路の上部に設けられる。このため、進行波電極の構造および寸法は、光導波路の構造および寸法に大きく依存することになる。一般に、光導波路の構造および寸法は、光を効率的に導波させるようにすることによって決定されるため、それらの自由度は小さい。また、変調用進行波電極のインピーダンス整合条件を満たすように変調用進行波電極の構造および寸法を決定することは必ずしも容易ではない。

このような問題に対応するために、特許文献１に記載の光変調器では、変調用進行波電極が高周波の波長以下の長さに複数に等分割され、それぞれの分割進行波電極に対して、キャパシタ成分（あるいはインダクタ成分）を有する電極が並列または直列に接続されることにより、変調用進行波電極を動作させるための整合条件としてのインピーダンスが５０Ωとなるように設定されている。

図５は特許文献１に記載の光変調器の構成を示す図であって、（ａ）は直列接続された変調電極とインダクタ電極とを備える光変調器の上面図、（ｂ）は並列接続された変調電極とインダクタ電極とを備える光変調器の上面図、を示す。

図５（ａ）に示す光変調器３００は、導電層３０１と、絶縁層３０２と、導波路３０３とを備える。そして、変調電極３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｃ，３０４ｄは、変調電極とは別の電極としてのインダクタ３０５´ａ，３０５´ｂ，３０５´ｃと直列に接続されている。接触パッド３０６ａ，３０６ｂの各々は、変調電極３０４ａ，３０４ｄの端部に接続されている。

一方、図５（ｂ）に示す光変調器３００は、導電層３０１と、絶縁層３０２と、導波路３０３とを備える。そして、変調電極３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｃ，３０４ｄは、分岐部３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃ，３１２ｄによって、変調電極とは別の電極としてのインダクタ３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄ，３０５ｅと並列に接続されている。接触パッド３０６ａ，３０６ｂの各々は、インダクタ３０５ａ，３０５ｅの端部に接続されている。

なお、特許文献１では、変調電極とは別に備える電極は、電極が配置される箇所の底面が接地電極に接続されている場合はキャパシタ成分がインダクタ成分よりも優勢となり、電極が配置される箇所の底面が接地電極に接続されていない場合はインダクタ成分がキャパシタ成分よりも優勢となることが記載されている。つまり、特許文献１では、変調用電極とは別に備える電極の寸法を調整することにより、キャパシタ成分（あるいはインダクタ成分）を増加させ、それらと合成してインピーダンス整合できることが開示されている。

米国特許第７８９９２７７号明細書

ここで、進行波電極を用いた光変調器の周波数帯域は、光導波路を伝搬する光の伝搬速度と、進行波電極を有する伝送線路の高周波の伝搬速度との差によっても決定される。この観点から、光変調器を高速動作させるためには、光の伝搬速度と高周波の伝搬速度を一致させることになるが、光の伝搬速度と高周波の伝搬速度との間に差が生じた場合は、光変調器の周波数帯域に影響を与えるため、光変調器の変調帯域が低下し得る。光の伝搬速度と高周波の伝搬速度を一致させることを速度整合と呼び、これも進行波電極を動作させるための重要な条件となる。

特許文献１では、光変調器の帯域が、光の伝搬速度と高周波の伝搬速度との差に依存することについて言及している。しかしながら、上述の速度整合によって変調帯域を向上させる方法については開示されていない。特許文献１では、速度整合によって変調帯域を向上させるのではなく、２倍から４倍の速度不整合を生じさせることにより周波数の帯域制限を行うことが提案されている。

なお、特許文献１では速度整合条件の理解が充分ではないと思われる。例えば、特許文献１に記載の式（６）に示された（ｆ_０≒１．４ｃＬ／（π│ｎ_０−ｎ_μ│））では、光の物理的な光路長と高周波の物理的な線路長とが異なる場合の正しい速度整合の条件となっていない。

本発明は、このような状況においてなされたものであり、インピーダンス整合条件および速度整合条件をともに満たすようにした、進行波電極を有する光変調器を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光導波路に電界を印加することにより光変調を行う光変調器であって、基板と、前記基板の接地面と前記接地面上に形成された光導波路と前記光導波路上に形成された複数の変調用電極とにより構成され、前記各変調用電極に対応して光の伝搬方向に沿ってＮ（Ｎ≧２）分割して形成される変調用伝送線路と、前記光導波路以外の前記基板の上に形成され、前記各変調用電極にそれぞれ接続される（Ｎ−１）個の接続用電極を有する接続用伝送線路とを含み、前記接続用伝送線路の特性インピーダンスは、前記変調用伝送線路と前記接続用伝送線路とからなる特性インピーダンスがインピーダンス整合条件を満たすように設定され、前記接続用伝送線路の長さは、前記光導波路を伝搬する光の伝搬速度と前記接続用伝送線路を伝搬する高周波信号の伝搬速度との速度調整条件を満たすように設定されるものである。

前記光導波路の群屈折率をｎ_o、前記変調用伝送線路と前記接続用伝送線路とを合成した伝送線路の高周波に対する実効屈折率をｎ_μ、前記変調用伝送線路の全長をＬ、前記接続用伝送線路の全長をｘ・Ｌ（ｘ＞１）とすると、前記ｘは、ｘ・ｎ_μ＝ｎ_oとなるように設定するようにしてもよい。

前記光導波路の群屈折率をｎ_０、前記変調用伝送線路の高周波に対する実効屈折率ｎ_１、前記接続用伝送線路の高周波に対する実効屈折率ｎ_２、前記変調用伝送線路の全長をＬ、前記接続用伝送線路の全長をｙ・Ｌとすると、前記ｙは、ｎ_１＋ｙ・ｎ_２＝ｎ_０となるように設定するようにしてもよい。

前記変調用伝送線路の全長をＬ、前記接続用伝送線路が前記変調用伝送線路に接続する接続点と前記変調用伝送線路の端部との間隔をｚ・Ｌ／Ｎ（ｚ＜１）、前記光導波路の群屈折率をｎ_０、前記変調用伝送線路の高周波に対する実効屈折率をｎ_１、前記接続用伝送線路の高周波に対する実効屈折率ｎ_２とすると、前記ｚは、ｚ・ｎ_１＋（１−ｚ）・ｎ_２＝ｎ_０となるように設定するようにしてもよい。

前記光変調器は、電気光学効果を利用して光の位相を変調するようにしてもよい。

前記光変調器は、マッハツェンダ型光変調器としてもよい。

前記光変調器は、電界吸収型光変調器としてもよい。

本発明によれば、インピーダンス整合条件および速度整合条件をともに満たすことができる。

第１実施形態の光変調器の構成例を示す図。第２実施形態の光変調器の構成例を示す図。第３実施形態の光変調器の構成例を示す図。第３実施形態の変形例の光変調器の構成例を示す図。従来の光変調器の構成を示す図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の光変調器の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態の光変調器１００の構成例を示す図であって、（ａ）光変調器１００の上面図、（ｂ）光変調器１００のＡ−Ａ´端面図、を示す。

この光変調器１００は、光導波路１２に電界を印加することにより光変調を行う。図１（ａ）に示すように、光変調器１００は、基板１０と、複数の変調用電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有するマイクロストリップ線路型の変調用伝送線路１と、この変調用伝送線路１の各変調用電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに接続される接続用電極２ａ，２ｂ，２ｃを有する接続用伝送線路２とを備える。変調用伝送線路１は、基板１０の接地面１１と、接地面１１上に形成された光導波路１２と、光導波路１２上に形成された変調用電極１ａ〜１ｄとによって形成される。

光導波路１２の光信号は、図１（ａ）の紙面上、下から上の方向に伝搬する。

変調用伝送線路１は、光の伝搬方向に沿ってＮ（Ｎ≧２）分割して形成される。この実施形態では、「Ｎ」の値は、例えば４とするが、２以上の値であれば変更することもできる。「Ｎ」の値は典型的には３〜１０程度となる。この「Ｎ」の値によって、変調用伝送線路１は、４つに等分割される。この実施形態では、分割された各変調用伝送線路１の長さは、対応する変調用電極１ａ〜１ｄの長さと等しいものとする。

絶縁体１３は、基板１０の接地面１１上に形成される。接地面１１と絶縁体１３と接続用電極２ａ〜２ｃとによって、マイクロストリップ線路型の接続用伝送線路２が形成される。接続用伝送線路２は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、光導波路１２上ではなく、光導波路１２以外の基板１０の上に形成される。この光変調器１００では、接続用電極２ａ〜２ｃおよび変調用電極１ａ〜１ｄによって、進行波型電極が形成される。

接続用伝送線路２は、光の伝搬方向に沿って（Ｎ−１）分割して形成される。この実施形態では、「Ｎ」の値は例えば４とするので、この「Ｎ」の値によって、接続用伝送線路２は、３つに等分割される。この実施形態では、分割された各接続用伝送線路２の長さは、対応する接続用電極２ａ〜２ｃの長さと等しいものとする。

図１（ａ）において、接続用電極２ａに対応する接続用伝送線路２は、隣接する変調用電極１ａ，１ｂと接続され、接続用電極２ｂに対応する接続用伝送線路２は、隣接する変調用電極１ｂ，１ｃと接続され、接続用電極２ｃに対応する接続用伝送線路２は、隣接する変調用電極１ｃ，１ｄと接続される。接続用伝送線路２内を伝搬する高周波信号（ＲＦ）は、図１（ａ）の接触パッド３ａから入力され、接触パッド３ｂから出力される。

ここで、進行波型電極を備える光変調器１００において、高速変調を可能とするには、進行波型電極のインピーダンス整合条件、および、光変調器１００での光と電気との間の速度整合条件を満たすようにすることが重要である。

一般に、インピーダンス整合条件を満たすのは、変調用伝送線路１の特性インピーダンスが終端抵抗の値と等しい場合である。

例えば、変調用伝送線路１の特性インピーダンスをＺ₁、変調用伝送線路全体の長さをＬ、変調用伝送線路１の実効屈折率をｎ_１、光導波路１２の群屈折率をｎ_０とする。なお、ここでは、分割された変調用伝送線路１間の間隙を無視できることとするので、変調用伝送線路全体の長さは、変調領域の光導波路１２の長さに等しい。

この場合、Ｚ_１＝５０Ωであれば、インピーダンス整合条件を満たす。また、ｎ_１＝ｎ_０であれば、速度整合条件を満たす。なお、Ｚ_１の値は５０Ωにかかわらず許容度合い（例えば±１０Ω程度）に応じて決定される。

一般に、ＩｎＰ系の半導体で光変調器を作製する場合、変調効率および光導波路の光損失を考慮して変調用伝送線路１の長さを設定すると、通常、Ｚ_１<５０Ω、ｎ_１>ｎ_oとなる。つまり、インピーダンス整合条件および速度整合条件を満たさない。

しかし、本実施形態の光変調器１００では、接続用伝送線路２の特性インピーダンスおよび長さを考慮して、インピーダンス整合条件および速度整合条件を満たすようにしている。これは、光変調器１００において、伝送線路全体の特性インピーダンスは、変調用伝送線路１と接続用伝送線路２とからなる２種類の伝送線路の合成からなるとみなせるためである。換言すると、伝送線路全体の特性インピーダンスは、Ｚ₁とＺ₂との中間の値となる。

ここで、接続用伝送線路２の特性インピーダンスをＺ_２、接続用伝送線路２の高周波に対する実効屈折率ｎ_２とすると、Ｚ_２＞５０Ω、ｎ_２＜ｎ_０、接続用伝送線路２の長さをｘ・Ｌ（ｘ＞１）とする。

この場合、伝送線路全体の特性インピーダンスがインピーダンス整合条件を満たす（伝送線路全体の特性インピーダンスが例えば５０Ωとなる）ように、接続用伝送線路２の接続用電極２ａ〜２ｃの寸法（長さ）を変化させることによって、Ｚ_２の値を調整している。そして、Ｚ_２の値が決定されるときのｎ_１，ｎ_２の合成値である実効屈折率ｎ_μが求まる。

ここで、合成した伝送線路全体の特性インピーダンスは、「ｘ」の値に依存するため、各接続用電極２ａ〜２ｃの「ｘ」の値に応じて、「Ｚ_２」および「ｎ_μ」の値は異なることになる。このようにして、インピーダンス整合条件を満たすときの「ｘ」、「Ｚ₂」および「n_μ」の組み合わせが求められる。

次に、速度整合について説明する。

本実施形態では、ｘ・ｎ_μ＝ｎ_oとなるように、「ｘ」の値を設定するようにしている。光の伝搬速度と高周波の伝搬速度とが一致し、速度整合条件を満たすからである。なお、本実施形態の光変調器１００において、接続用伝送線路２の分割数（Ｎ−１）が変調用伝送線路１の分割数（Ｎ）よりも１つ少ないが、その影響を無視できるものとしている。

この観点から、「ｘ」の値が選定している。そして、「ｘ」の値として、上述のインピーダンス整合条件、および、速度整合条件をともに満たす値が設定される。このため、光変調器１００は、インピーダンス整合条件と速度整合条件をともに満たすものとなる。

なお、接続用伝送線路２として、マイクロストリップラインやコプレーナ導波路などを適用する場合、すなわち、データ解析が容易な構造が適用される場合、接続用伝送線路２を構成する絶縁体１３の屈折率が決まると、接続用伝送線路２の特性インピーダンスＺ_２および実効屈折率ｎ_２が容易に求まることになって、速度整合条件を満たすときの接続用伝送線路２の長さが決定される。さらに、インピーダンス整合条件を満たすときの接続用伝送線路２の特性インピーダンスが決定される。したがって、上記インピーダンス整合条件と速度整合条件をともに満たすように接続用伝送線路２の長さに関連する「ｘ」のパラメータを決定すればよい。

＜第２実施形態＞
本実施形態の光変調器が第１実施形態と異なるのは主に、接続用伝送線路の形状である。この第２実施形態の光変調器の接続用伝送線路についても、前述のインピーダンス整合条件および速度整合条件をともに満たすようにする点に特徴がある。

図２は第２実施形態の光変調器１００Ａの構成例を示す図であって、（ａ）光変調器１００Ａの上面図、（ｂ）光変調器１００ＡのＢ−Ｂ´端面図、を示す。

この光変調器１００Ａも、図２（ａ）に示すように、基板１０と、複数の変調用電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有するマイクロストリップ線路型の変調用伝送線路１と、この変調用伝送線路１の各変調用電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに接続される接続用電極２ａ，２ｂ，２ｃを有する接続用伝送線路２とを備える。この実施形態においても、変調用伝送線路１の分割数Ｎ＝４である。

変調用伝送線路１は、基板１０の接地面１１と、接地面１１上に形成された光導波路１２と、光導波路１２上に形成された変調用電極１ａ〜１ｄとによって形成される。接続用伝送線路２は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、光導波路１２上ではなく、光導波路１２以外の基板１０の上に形成される。この光変調器１００Ａでも、接続用電極２ａ〜２ｃおよび変調用電極１ａ〜１ｄによって、進行波型電極が形成される。

図２（ａ）において、変調用伝送線路１と接続用伝送線路２とは交互に縦続接続される。具体的には、接続用電極２ａに対応する接続用伝送線路は、変調用電極１ａに対応する変調用伝送線路１の出力端、および、変調用電極１ｂに対応する変調用伝送線路１の入力端に接続される。接続用電極２ｂに対応する接続用伝送線路２は、変調用電極１ｂに対応する変調用伝送線路１の出力端、および、変調用電極１ｃに対応する変調用伝送線路１の入力端に接続される。接続用電極２ｃに対応する接続用伝送線路２は、変調用電極１ｃに対応する変調用伝送線路１の出力端、および、変調用電極１ｄに対応する変調用伝送線路１の入力端に接続される。接続用伝送線路２内を伝搬する高周波信号（ＲＦ）は、図２（ａ）の接触パッド３ａから入力され、接触パッド３ｂから出力される。

次に、本実施形態の光変調器１００Ａにおけるインピーダンス整合および速度整合について検討する。ここでも、変調用伝送線路１の特性インピーダンスをＺ₁、変調用伝送線路全体の長さをＬ、変調用伝送線路１の実効屈折率をｎ_１、光導波路１２の群屈折率をｎ_０とする。なお、分割された変調用伝送線路１間の間隙を無視し、変調用伝送線路全体の長さは、変調領域の光導波路１２の長さに等しいものとする。

ここで、ｎ_１＝ｎ_０の場合は、速度整合条件を満たすことになるが、以下では、ｎ_１＜ｎ_０となる材質で変調用伝送線路１が構成されている場合について示してある。

例えば、接続用伝送線路２の特性インピーダンをＺ_２、その高周波に対する実効屈折率をｎ_２、接続用伝送線路２全体の長さをy・Ｌ（y＞０）とする。この場合、光変調器１００Ａの伝送線路全体の特性インピーダンスは、変調用伝送線路１と接続用伝送線路２の２種類の伝送線路の合成とみなすことができる。このため、Ｚ₁の値が例えば５０Ωより大きい場合は、伝送線路全体の特性インピーダンスがインピーダンス整合条件を満たす（伝送線路全体の特性インピーダンスが例えば５０Ωとなる）ように、接続用伝送線路１の寸法（長さ）を変化させてＺ₂の値を５０Ω以下とする。一方、Ｚ₁の値が５０Ωより小さい場合は、伝送線路全体の特性インピーダンスがインピーダンス整合条件を満たす（伝送線路全体の特性インピーダンスが例えば５０Ωとなる）ように、接続用伝送線路の寸法（長さ）を変化させてＺ₂の値を５０Ωより大きくする。

ここで、合成した伝送線路全体の特性インピーダンスは、接続用伝送線路２の長さのパラメータｙに依存するので、「ｙ」の値に応じて、「ｙ・Ｌ」、「Ｚ_２」および「ｎ２」の値の組み合わせが求められる。

そして、本実施形態では、ｎ₁＋ｙ・ｎ₂＝ｎ_oとなるように、接続用進行波電極２ａ〜２ｃの長さに関する「y」を設定すれば、光の伝搬速度と高周波の伝搬速度を一致させ、速度整合することができる。本実施形態でも、各伝送線路１，２の分割数が十分大きいものとし、接続用伝送線路２の数が変調用伝送線路１の数より１つ少ない影響を無視して検討している。「y」が得られれば、インピーダンス整合を満たす「Ｚ₂」が上記のインピーダンス整合の方法で得られる。このように構成することにより、インピーダンス整合条件および速度整合条件をともに満たす光変調器１００Ａが得られる。

＜第３実施形態＞
本実施形態の光変調器が第１実施形態と異なるのは主に、接続用伝送線路の形状である。この第３実施形態の光変調器の接続用伝送線路についても、前述のインピーダンス整合条件および速度整合条件をともに満たすようにする点に特徴がある。

図３は第３実施形態の光変調器１００Ｂの構成例を示す図であって、（ａ）光変調器１００Ｂの上面図、（ｂ）光変調器１００ＢのＢ−Ｂ´端面図、を示す。

この光変調器１００Ｂも、図３（ａ）に示すように、基板１０と、複数の変調用電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを有するマイクロストリップ線路型の変調用伝送線路１と、この変調用伝送線路１の各変調用電極１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに接続される接続用電極２ａ，２ｂ，２ｃを有する接続用伝送線路２とを備える。この実施形態においても、変調用伝送線路１の分割数Ｎ＝４である。

変調用伝送線路１は、基板１０の接地面１１と、接地面１１上に形成された光導波路１２と、光導波路１２上に形成された変調用電極１ａ〜１ｄとによって形成される。接続用伝送線路２は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、光導波路１２上ではなく、光導波路１２以外の基板１０の上に形成される。この光変調器１００Ａでも、接続用電極２ａ〜２ｃおよび変調用電極１ａ〜１ｄによって、進行波型電極が形成される。

図３（ａ）において、接続用電極２ａに対応する接続用伝送線路２の一端は、変調用電極１ａに対応する変調用伝送線路１（端部以外の部分）に接続され、他端は変調用電極１ｂに対応する変調用伝送線路１の端部に接続される。接続用電極２ｂに対応する接続用伝送線路２の一端は、変調用電極１ｂに対応する変調用伝送線路１（端部以外の部分）に接続され、他端は変調用電極１ｃに対応する変調用伝送線路１の端部に接続される。接続用電極２ｃに対応する接続用伝送線路２の一端は、変調用電極１ｃに対応する変調用伝送線路１（端部以外の部分）に接続され、他端は変調用電極１ｄに対応する変調用伝送線路１の端部に接続される。接続用伝送線路２内を伝搬する高周波信号（ＲＦ）は、図３（ａ）の接触パッド３ａから入力され、接触パッド３ｂから出力される。

なお、図３（ａ）において、各接続用伝送線路２は、各変調用伝送線路１において、各変調用伝送線路１の端部（入力側）からｚ・Ｌ/Ｎ（ｚ<１）の位置で各々接続されている。

次に、本実施形態の光変調器１００Ｂにおけるインピーダンス整合および速度整合について検討する。ここでも、変調用伝送線路１の特性インピーダンスをＺ₁、変調用伝送線路全体の長さをＬ、変調用伝送線路１の実効屈折率をｎ_１、光導波路１２の群屈折率をｎ_０とする。なお、分割された変調用伝送線路１間の間隙を無視し、変調用伝送線路全体の長さは、変調領域の光導波路１２の長さに等しいものとする。

ここで、Ｚ₁が５０Ωであればインピーダンス整合条件を満たす。また、ｎ_１＝ｎ_０の場合は、速度整合条件を満たすことになるが、一般に、ＩｎＰ系の半導体で光変調器を作製する場合、変調効率および光導波路の光損失を考慮して変調用伝送線路１の長さを設定すると、通常、Ｚ_１<５０Ω、ｎ_１>ｎ_oとなる。つまり、インピーダンス整合条件および速度整合条件を満たさないことになる。

この実施形態の光変調器１００Ｂにおいて、例えば、接続用伝送線路２の特性インピーダンをＺ₂、その高周波に対する実効屈折率をｎ_２とする。この場合、Ｚ₂>５０Ω、n₂＜n_oとすると、伝送線路全体の特性インピーダンスは２種類の伝送線路の合成とみなせるので、接続用伝送線路２の寸法を変化させてＺ₂の値を調整することにより、伝送線路全体の特性インピーダンスを例えば５０Ωにすることができる（インピーダンス整合条件を満たす）。

ここで、合成した伝送線路全体の特性インピーダンスは、パラメータzに依存するので、各接続用伝送線路２に対応する「ｚ」の値に応じて、インピーダンス整合条件を満たすときの「ｚ」、「Ｚ₂」および「n_２」の組み合わせが求められる。

本実施形態では、ｚ・ｎ_１＋（１−z）・ｎ_２＝ｎ_０となるように（速度整合条件を満たすように）、「ｚ」の値を設定するようにしている。なお、本実施形態の光変調器１００Ｂにおいて、接続用伝送線路２の分割数（Ｎ−１）が変調用伝送線路１の分割数（Ｎ）よりも１つ少ないが、その影響を無視できるものとしている。「ｚ」が得られれば、そのときのＺ₂の値がインピーダンス整合の関係から得られる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

（変形例１）
図３（ａ）および図３（ｂ）に示した光変調器１００Ｂにおいて、変調用伝送線路１と接続用伝送線路２の接続点の位置は、変更するようにしてもよい。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、変調用伝送線路１と接続用伝送線路２の接続点の位置が異なる光変調器１００Ｃ〜１００Ｆの構成例を示してある。

図４（ａ）の光変調器１００Ｃでは、各接続用伝送線路１の入力端は各変調用伝送線路２の出力端に接続され、他端は各変調用伝送線路２の端部以外の部分に接続される。図４（ｂ）の光変調器１００Ｄでは、各接続用伝送線路１の入力端および出力部はともに、各変調用伝送線路２の端部以外の部分に接続される。

図４（ｃ）の光変調器１００Ｄでは、各接続用伝送線路１の入力端は各変調用伝送線路２の端部以外の部分に接続され、他端は各変調用伝送線路２の入力端に接続される。図４（ｄ）の光変調器１００Ｆでは、各接続用伝送線路１の入力端は各変調用伝送線路２の出力端に接続され、他端は各変調用伝送線路２の端部以外の部分に接続される。なお、図４（ｃ）の接続用伝送線路１と変調用伝送線路２との接続状態は図３のものと同じであり、図４（ｄ）の接続用伝送線路１と変調用伝送線路２との接続状態は図４（ａ）のものと同じである。しかし、図３と図４（ｃ）とは接触パッド３ｂ（ＲＦ終端端子）の位置関係が異なり、図４（ａ）および図４（ｄ）とは接触パッド３ａ（ＲＦ入力用端子）の位置関係が異なる。変調用伝送線路２の端部をＲＦ入力用端子またはＲＦ終端端子で接続することにより、スタブ形成となることを回避でき、余分な反射を防ぐことができる。

各実施形態および変形例の光変調器は、電気光学効果を利用して光の位相を変調する進行波電極型光位相変調器として適用することができるし、あるいは、位相変調器を用いてマッハツェンダ型光変調器を構成して進行波電極型マッハツェンダ型光変調器として適用することもできる。さらに、光導波路の構造を有する電界吸収型光変調とすれば、進行波電極型電界吸収型光変調器として用いることができる。

１変調用伝送線路
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ変調用電極
２接続用伝送線路
２ａ，２ｂ，２ｃ接続用電極
１０基板
１１接地面
１２光導波路
１３絶縁体
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ光変調器

Claims

光導波路に電界を印加することにより光変調を行う光変調器であって、
基板と、
前記基板の接地面と、前記接地面上に形成された光導波路と、前記光導波路上に形成された複数の変調用電極とにより構成され、前記各変調用電極に対応して光の伝搬方向に沿ってＮ（Ｎ≧２）分割して形成される変調用伝送線路と、
前記光導波路以外の前記基板の上に形成され、前記各変調用電極にそれぞれ接続される（Ｎ−１）個の接続用電極を有する接続用伝送線路と
を含み、
前記接続用伝送線路の特性インピーダンスは、前記変調用伝送線路と前記接続用伝送線路とからなる特性インピーダンスがインピーダンス整合条件を満たすように設定され、
前記接続用伝送線路の長さは、前記光導波路を伝搬する光の伝搬速度と前記接続用伝送線路を伝搬する高周波信号の伝搬速度との速度調整条件を満たすように設定される
ことを特徴とする光変調器。
前記光導波路の群屈折率をｎ_o、前記変調用伝送線路と前記接続用伝送線路とを合成した伝送線路の高周波に対する実効屈折率をｎ_μ、前記変調用伝送線路の全長をＬ、前記接続用伝送線路の全長をｘ・Ｌ（ｘ＞１）とすると、前記ｘは、ｘ・ｎ_μ＝ｎ_oとなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記光導波路の群屈折率をｎ_０、前記変調用伝送線路の高周波に対する実効屈折率ｎ_１、前記接続用伝送線路の高周波に対する実効屈折率ｎ_２、前記変調用伝送線路の全長をＬ、前記接続用伝送線路の全長をｙ・Ｌとすると、前記ｙは、ｎ_１＋ｙ・ｎ_２＝ｎ_０となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記変調用伝送線路の全長をＬ、前記接続用伝送線路が前記変調用伝送線路に接続する接続点と前記変調用伝送線路の端部との間隔をｚ・Ｌ／Ｎ（ｚ＜１）、前記光導波路の群屈折率をｎ_０、前記変調用伝送線路の高周波に対する実効屈折率をｎ_１、前記接続用伝送線路の高周波に対する実効屈折率ｎ_２とすると、前記ｚは、ｚ・ｎ_１＋（１−ｚ）・ｎ_２＝ｎ_０となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記光変調器は、電気光学効果を利用して光の位相を変調することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光変調器。
前記光変調器は、マッハツェンダ型光変調器であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光変調器。
前記光変調器は、電界吸収型光変調器であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光変調器。