JP2016126054A - 光変調器 - Google Patents

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Abstract

【課題】広帯域に亘り、低電圧駆動且つ安定した変調特性を確保した光変調器を提供すること。【解決手段】基板１０と、該基板１０に形成された光導波路（不図示）と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極（信号電極１１，接地電極１２）と、該基板の外部に設けられ、該変調電極に変調信号を供給する外部信号線路（不図示，接続コネクタ４のみ示す）とを有する光変調器において、該変調電極が形成する電界が該光導波路に印加される該変調電極の作用領域Ｓでのインピーダンス値が、該外部信号線路のインピーダンス値よりも低く設定されており、該外部信号線路と前記変調電極の作用領域との間には、主に低周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備え、集中定数回路で構成されたインピーダンス調整部２１と、主に高周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備えたインピーダンス整合線路Ｌとを配置したことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するための変調電極と、該変調電極に変調信号を供給する外部信号線路とを有する光変調器に関する。
光通信分野や光計測分野において、光変調器、特に、基板に光導波路や当該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極を備えた光変調器が多用されている。近年では、１００Ｇｂｐｓ超の光通信を可能にする偏波合成型の多値変調器も用いられている。このような光変調器では、マッハツェンダー型光導波路を備えた光変調部が複数個、集積された構造となっている。このため、変調部（変調電極が形成する電界が光導波路に作用している部分。「作用領域」ともいう。）にはより低電圧で駆動可能な構成が要求されている。
一般に、低駆動電圧を実現するには、変調部を構成する信号電極と接地電極との間隔を狭くすることにより、光導波路に印加される電界の強度を高めることが知られている。他方、進行波型電極の光変調器では、広帯域特性を実現するため、変調部での光導波路の伝搬光と、変調電極を伝搬する変調信号との速度整合をとる必要がある。通常、伝搬光と変調信号の速度整合をとるためには電極厚を高くすることが必要となる。これらのように、電極厚を高くした場合には、変調部のＲＦ線路（変調電極）のインピーダンスがより低くなり、外部信号回路の一般的なインピーダンスである５０Ωよりも更に低くなる。
変調部のインピーダンスが、光変調器の外部信号回路である信号源や変調器ドライバのインピーダンスと異なる場合には、インピーダンス不整合により光変調器に入力する電気信号の反射が発生し、信号の劣化や駆動電圧の上昇を招く原因となる。このため、特許文献１に示すように、変調素子基板上にインピーダンス整合線路を形成するものや、特許文献２のように、中継基板などを利用して線路に直列に抵抗を挿入し、インピーダンス整合を改善させる技術が知られている。
変調部のインピーダンスが低い場合に、特許文献１を用いてインピーダンス整合線路を形成し、信号反射特性Ｓ１１を改善した場合であっても、十分な線路長が確保できずインピーダンス整合が難しい低周波域では、Ｓ１１特性は一般に外部信号回路と等しいインピーダンスに設定された信号入力側のコネクタインピーダンスと終端回路の終端インピーダンスによって決定されることになる。例えば、コネクタが５０Ω、終端回路が２５Ωの場合は、−９．５ｄＢもの反射量となる。
また、特許文献２のように、変調部である低インピーダンス線路の前段に、信号線路に直列接続された抵抗を持った中継基板を挿入し、インピーダンスを改善する場合には、抵抗で電力が消費され、変調部に入力される信号振幅が減少するという問題が生じる。また、周波数が高くなると、変調部の線路長の影響が無視できなくなり、コネクタから見た変調器側の合成インピーダンスが、整合抵抗と終端抵抗の和から大きくずれ、インピーダンスの整合が取れないという問題もある。
特開２００５−３７５４７号公報 米国特許公開２００５／０２０１６５３Ａ１
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、広帯域に亘り、低電圧駆動且つ安定した変調特性を確保した光変調器を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光変調器は以下のような技術的特徴を有する。
（１） 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ための変調電極と、該基板の外部に設けられ、該変調電極に変調信号を供給する外部信号線路とを有する光変調器において、該変調電極が形成する電界が該光導波路に印加される該変調電極の作用領域でのインピーダンス値が、該外部信号線路のインピーダンス値よりも低く設定されており、該外部信号線路と前記変調電極の作用領域との間には、主に低周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備え、集中定数回路で構成されたインピーダンス調整部と、主に高周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備えたインピーダンス整合線路とを配置したことを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該インピーダンス調整部は、抵抗とコンデンサとを並列に接続した構成を有することを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、該変調電極を構成する信号電極及び接地電極の形状と両者の間隔とを調整して形成されていることを特徴とする。
（４） 上記（３）に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、複数の異なるインピーダンス値を備えた多段状の整合線路、またはインピーダンス値が連続的に変化するテーパー状の整合線路のいずれかであることを特徴とする。
（５） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス調整部又は該インピーダンス整合線路のうち、少なくとも一方は、該基板の外部に設けられた中継基板に設けられていることを特徴とする。
（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光変調器において、該変調電極の終端には終端器が接続され、該終端器のインピーダンスは前記変調電極の作用領域でのインピーダンス値と同じ又はそれ以下に設定されていることを特徴とする。
本発明は、変調電極の作用領域でのインピーダンス値が、該変調電極に変調信号を供給する外部信号線路のインピーダンス値よりも低く設定されている場合でも、該外部信号線路と前記変調電極の作用領域との間には、主に低周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備え、集中定数回路で構成されたインピーダンス調整部と、主に高周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備えたインピーダンス整合線路とを配置することにより、広帯域に亘り、変調信号の反射特性を改善でき、低電圧駆動且つ安定した変調特性を確保した光変調器を提供することが可能となる。
本発明の光変調器の概略を説明する図である。 本発明の光変調器に用いられるインピーダンス調整部の電気回路の一例を説明する図である。 インピーダンス調整部を設けた場合の電気反射特性の周波数依存性を示すグラフ（その１）である。 インピーダンス調整部を設けた場合の電気反射特性の周波数依存性を示すグラフ（その２）である。 インピーダンス整合線路を設けた場合の電気反射特性の周波数依存性を示すグラフ（その１）である。 インピーダンス整合線路を設けた場合の電気反射特性の周波数依存性を示すグラフ（その２）である。 インピーダンス調整部及びインピーダンス整合線路を設けた場合の電気反射特性の周波数依存性を示すグラフである。
以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光変調器は、図１に示すように、基板１０と、該基板１０に形成された光導波路（不図示）と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極（信号電極１１，接地電極１２）と、該基板の外部に設けられ、該変調電極に変調信号を供給する外部信号線路（不図示，接続コネクタ４のみ示す）とを有する光変調器において、該変調電極が形成する電界が該光導波路に印加される該変調電極の作用領域Ｓでのインピーダンス値が、該外部信号線路のインピーダンス値よりも低く設定されており、該外部信号線路と前記変調電極の作用領域との間には、主に低周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備え、集中定数回路で構成されたインピーダンス調整部２１と、主に高周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備えたインピーダンス整合線路Ｌとを配置したことを特徴とする。
本発明の光変調器に用いる基板は、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶やＩｎＰなどの半導体、ポリマーなど、電気光学効果を有する基板が好適に利用可能である。特に、光変調器などの光制御素子で多用されているＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ５が、好ましい。
基板には光導波路が形成されている。基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などを熱拡散することにより形成される。また、基板に光導波路に沿った凹凸を形成したリッジ型光導波路も利用可能である。光導波路のパターン形状としてはマッハツェンダー型導波路や複数のマッハツェンダー型導波路を組み合わせたネスト型導波路など、光変調器の用途に応じて種々の形状を採用することが可能である。
変調電極は、図１に示すように、信号電極１１や接地電極１２から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、該バッファ層の上側に変調電極を形成することも可能である。信号電極は、図１に示すように１本の信号電極に限られるものではなく、光導波路の変調領域が複数ある場合には、その数に対応して、複数の信号電極を設けることが可能である。
本発明の光変調器の特徴は、光変調器の作用領域（変調部）のインピーダンスが外部信号線路のインピーダンスと比較して低い場合でも、インピーダンス調整部２１とインピーダンス整合線路Ｌとによって、変調信号の反射特性を改善し、広帯域に亘り駆動電圧の低下を実現することである。
従来は、特許文献１に示すように、作用領域のインピーダンスと該信号線路のインピーダンスが異なる場合には、両者の間にインピーダンス整合線路を配置することが行われている。しかしながら、変調信号の低周波域では、電気信号の波長が長いため、インピーダンス整合線路を用いたインピーダンス調整で、変調信号の反射特性Ｓ１１特性を改善することができない。
そこで、インピーダンス調整部に設けられた抵抗により反射特性（Ｓ１１）を改善させる。例えば、入力インピーダンスが５０ΩでＳ１１特性が一般的なディジタル通信で十分な特性である−１５ｄＢ以下を満たす場合には、調整部の抵抗（整合抵抗）と終端抵抗の合計が３５〜６５Ωとなるように設定する。
ただし、周波数が高くなるに従い、変調部をはじめとした線路長が無視できなくなるため抵抗のみではＳ１１を改善することができない。しかも、変調部の前段に単純に抵抗を挿入すると、抵抗によって全ての周波数域の変調信号が消費され、実質的に変調部に入力される変調信号が減衰するため、駆動電圧の上昇を招いてしまう。
このため、インピーダンス調整部には、主に低周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備えた、集中定数回路を設け、高周波域の変調信号の減衰を抑制することで駆動電圧の上昇を防ぐことができる。集中定数回路の一例としては、図２に示すような、抵抗２１１に並列にコンデンサ２１２を接続したものが利用可能である。
図３は、入力インピーダンスが５０Ωに対し、変調部（作用領域）のインピーダンスが４０Ωとした場合に、インピーダンス調整部である図２に示す抵抗２１１を１０Ω、コンデンサ２１２の容量を０．５ｐＦ，１ｐＦ，１．５ｐＦ，２ｐＦと変化させた際の電気反射特性（Ｓ１１）の周波数依存性を示したものである。
また、図４は、インピーダンス調整部の抵抗２１１を１０Ω、コンデンサ２１２の容量を１ｐＦとした場合に、入力インピーダンス５０Ωに対し変調部のインピーダンスを５０，４０，３５，２５Ωと変化させた際の電気反射特性（Ｓ１１）の周波数依存性を示したものである。
図３を見ると、低周波域で、反射特性が効果的に抑制されていることが容易に理解される。しかしながら、コンデンサの容量に依存するが、コンデンサの接続により、周波数の高い領域では、ＲＦ入力と変調部とのインピーダンスの差によりＳ１１特性の劣化が発生する。また、図４を見ると、入力インピーダンスと変調部のインピーダンスとの差が大きくなるに従い、Ｓ１１特性を十分に改善することができないことが容易に理解される。
このような特性の劣化を防止するために、本発明の光変調器では、さらに、集中定数型のインピーダンス調整部と変調部との間に、線路で構成されたインピーダンス整合線路を構成している。
インピーダンス整合線路は、変調部とインピーダンス調整部の後の線路インピーダンスとの間のインピーダンス、好ましくは両者の相乗平均の値に設定される。また、整合線路は、広帯域に亘ってＳ１１特性を改善させるための構造、例えば、多段の整合線路構造とすることが望ましい。また、整合線路全体又はその一部にインピーダンスが連続的に変化するよう、信号電極の幅や信号電極と接地電極との間隔を連続的に変化させたテーパ型のインピーダンス変換を用いても良い。
図５及び図６では、インピーダンス整合線路を多段に構成することによる効果を確認したものである。図５及び図６は、インピーダンス整合線路の入力側のインピーダンスを４０Ωとし、出力側のインピーダンスを２５Ωに設定した場合に、インピーダンス整合線路を１段から４段の間で変化させて構成した際の反射特性の周波数依存性を示している。
ただし、図５では、各段を構成する各々の区間では、長さを一定にした場合であり、図６は、全ての段を合わせた全体の区間の合計の長さを一定にした場合を示している。図５又は図６を見ると、高周波域における反射特性の改善は、段数を多くすることでより改善できるが、低周波域に対しては改善が難しいことが容易に理解される。なお、図５〜７においては、一般的なディジタル通信で要求される特性レベル（−１５ｄＢ）を、一点鎖線Ａで示している。
図７は、インピーダンス調整部に抵抗１０Ω、コンデンサ容量１ｐＦを設定し、図５で示したインピーダンス整合線路と組み合わせた場合の状況を示している。これによると、低周波域でも−１５ｄＢ以下を実現しながら、高周波域の広い範囲に亘り、反射特性を改善している。
本発明の光変調器の一例を図１に示している。４はＲＦ入力用のコネクタである。光変調器への信号を入力する信号入力部は、高周波特性の劣化を防ぐために、ＲＦコネクタやフレキシブル印刷回路（ＦＰＣ）、また、ＣＰＷ型のフィードスルーなどの高周波基板が用いられる。
図１の実施例では、中継基板２を設けている。中継基板にはアルミナセラミックなどの高周波損失の少ない基板が用いられる。基板上には、コプレーナ（ＣＰＷ）型やマイクロストリップ（ＭＳ）型の高周波線路２０が形成される。前記線路２０には、反射特性（Ｓ１１）や透過特性（Ｓ２１）などの特性を調整するために、抵抗部や高周波用コンデンサなどで構成されたインピーダンス調整部２１が設けられる。インピーダンス調整部は、集中定数型の回路構成であり、最も単純な回路構成としては、図２に示す、抵抗とコンデンサの並列回路が採用できる。
中継基板２と光変調素子１の各電気線路は、金などの導電性のワイヤやリボンでボンディングされる。信号線路のボンディング箇所には、パッド部が形成されている。
インピーダンス調整部２１、インピーダンス整合線路Ｌ、終端回路（終端抵抗等）３１は、同一の基板上に形成されても良いし、各々が又はその一部が別体の基板で構成しても良い。例えば、図１では、中継基板２にインピーダンス調整部２１を設けているが、インピーダンス整合線路Ｌをこの中継基板に組み込むことも可能である。また、インピーダンス調整部２１を光変調素子１に設けることも可能である。
光変調素子１には、光導波路に電界を印加する領域である変調部（作用領域）Ｓが存在する。特に、光変調器を広帯域化かつ低駆動電圧化するためには、作用領域のインピーダンスを低インピーダンス化することが必要となる。例えば、４０Ω以下の特性インピーダンスを持つコプレーナ構造が用いられる。
変調部Ｓの前段には、インピーダンス整合線路Ｌが設けられている。インピーダンス整合線路は、原理的には、インピーダンス調整部２１の前段又は後段の何れに配置されても良い。
インピーダンス整合線路は、変調電極を構成する信号電極１１及び接地電極１２の形状と両者の間隔とを調整して形成されている。具体的には、図１に示すように、複数の異なるインピーダンス値を備えた多段状の整合線路Ｌで構成することが可能である。また、インピーダンス値が連続的に変化するテーパー状の整合線路であっても良い。
変調部を経由した変調信号は、終端回路３１に導出される。図１に示すように、光変調素子１に隣接して終端基板３を配置し、各々信号線路を電気的に接続している。低インピーダンスの変調部Ｓを通過した信号は、光変調素子１の信号電極１１から終端基板３の信号線路３０に伝搬し、終端基板３上の終端回路（終端抵抗等）で終端される。
終端基板の抵抗等は、変調部のインピーダンスとほぼ同じかそれ以下に設定される。特に、外部信号回路やコネクタ等のＲＦ入力部の特性インピーダンスが５０Ωである場合には、例えば、終端基板の抵抗を２５〜３０Ωとした場合には、反射特性の改善がより期待できる。
以上、説明したように、本発明によれば、広帯域に亘り、低電圧駆動且つ安定した変調特性を確保した光変調器を提供することができる。
１ チップ（光変調素子）
２ 中継基板
３ 終端基板
４ ＲＦ入力コネクタ
１１ 信号電極
１２ 接地電極
２１ インピーダンス調整部
３１ 終端回路
Ｌ インピーダンス整合線路
Ｓ 変調部（作用領域）

Claims (6)

  1. 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ための変調電極と、該基板の外部に設けられ、該変調電極に変調信号を供給する外部信号線路とを有する光変調器において、
    該変調電極が形成する電界が該光導波路に印加される該変調電極の作用領域でのインピーダンス値が、該外部信号線路のインピーダンス値よりも低く設定されており、
    該外部信号線路と前記変調電極の作用領域との間には、
    主に低周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備え、集中定数回路で構成されたインピーダンス調整部と、
    主に高周波域の変調信号に対してインピーダンスの調整機能を備えたインピーダンス整合線路とを配置したことを特徴とする光変調器。
  2. 請求項１に記載の光変調器において、該インピーダンス調整部は、抵抗とコンデンサとを並列に接続した構成を有することを特徴とする光変調器。
  3. 請求項１又は２に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、該変調電極を構成する信号電極及び接地電極の形状と両者の間隔とを調整して形成されていることを特徴とする光変調器。
  4. 請求項３に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、複数の異なるインピーダンス値を備えた多段状の整合線路、またはインピーダンス値が連続的に変化するテーパー状の整合線路のいずれかであることを特徴とする光変調器。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス調整部又は該インピーダンス整合線路のうち、少なくとも一方は、該基板の外部に設けられた中継基板に設けられていることを特徴とする光変調器。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器において、該変調電極の終端には終端器が接続され、該終端器のインピーダンスは前記変調電極の作用領域でのインピーダンス値と同じ又はそれ以下に設定されていることを特徴とする光変調器。
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