JP2018036412A - 光変調器 - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる波長の光波を互いに独立に変調する光変調器における基板上の変調電極の配線の取り回しを容易にし、光変調器のサイズの大型化を抑制する。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮し、高周波特性の劣化を抑制する。【解決手段】波長λ１の光を変調する光変調領域Ｍ１では、光波進行方向について、変調電極３、バイアス電極４ａ、バイアス電極４ｂの順に配置する。一方、波長λ２の光を変調する光変調領域Ｍ２では、光波進行方向について、バイアス電極４ｂ、バイアス電極４ａ、変調電極３の順に配置する。すなわち、基板１の長さ方向に対して、変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの順番を、波長λ１，λ２毎に入れ替えてある。【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、２波長集積型などの高集積型変調器の構造に関する。
光通信システムの高速化、大容量化が進む中で、それに使用される光変調器の高性能化、高密度化が進んでいる。また、光変調器の小型化の要請に伴い、光変調器を構成する光変調素子の小型化も進められている。しかしながら、光変調器の高性能化と、高密度化及び小型化とは相反する要求であるため、これらを両立するための工夫が求められている。
このような光変調器に関し、以下のような発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、ＦＰＣ上に複数のＤＣピン（Ａ）と該ＤＣピン（Ａ）よりも電極側に配置された複数のＤＣピン（Ｂ）とを有し、複数のＤＣピン（Ｂ）からＲＦピンの反対側を通って電極に達する複数の配線を設ける構造が開示されている。
例えば、特許文献２には、第１の光変調器が備える第１の信号電極を基板の入力側に配置し、第２の光変調器が備える第２の信号電極を基板の出力側に配置する構造が開示されている。
特開２０１０−２８６７７０号公報 特開２０１５−１６９７９８号公報
近年、２波長集積型などの高集積型光変調器が開発されている。図１には、従来の２波長集積型ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying）変調器の構成例を示してある。同図の光変調器は、波長λ１の光波が入力される光変調領域Ｍ１と、波長λ１とは異なる波長λ２の光波が入力される光変調領域Ｍ２とを有し、これら光変調領域Ｍ１，Ｍ２は互いに独立して動作するように構成される。
光変調領域Ｍ１，Ｍ２の各々は、電気光学効果を有する基板１上に、光導波路２と、光導波路２を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極と、光導波路２を伝搬する光波を検出するための受光素子５とを備えている。制御電極は、制御信号の一種である高周波信号（ＲＦ信号）が印加される変調電極３や、制御信号の一種であるＤＣ信号が印加されるバイアス電極４ａ，４ｂなどで構成される。
各光変調領域Ｍ１，Ｍ２の光導波路２は、マッハツェンダー型導波路をネスト型に多重に配置した構造となっており、これに相応して多数の制御電極（変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂ）や受光素子５が設けられる。
光変調領域Ｍ１の下流には偏波合成部６が配置されており、メインとなるマッハツェンダー型導波路の出力側アーム部を伝搬する光波を偏波合成部６で合成して、光ファイバに出力する。光変調領域Ｍ２についても同様である。偏波合成部６は、空間光学系を用いて偏波合成を行う構造のものや、光導波路を用いて偏波合成を行う構造のものなどがある。
上記のように、高集積型光変調器では、多数の制御電極や受光素子を配置した基板（チップ）が用いられる。このため、それらの部品に接続する配線（不図示）の取り回しが増大し、高集積型変調器のサイズが大型化してしまうという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、上記のような問題を解決し、異なる波長の光波を互いに独立に変調する光変調器における基板上の変調電極の配線の取り回しを容易にし、光変調器のサイズの大型化を抑制することである。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮し、高周波特性の劣化を抑制することである。
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）電気光学効果を有する基板に、第１の波長の光を変調する第１の光変調領域と、第２の波長の光を変調する第２の光変調領域とが該基板の幅方向に並列に形成された光変調器において、前記光変調領域の各々は変調電極及びバイアス電極を有し、前記基板の長さ方向に対して、前記変調電極及び前記バイアス電極の順番を、前記波長毎に入れ替え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、前記第１の波長の光が前記第１の光変調領域を進行する方向と、前記第２の波長の光が前記第２の光変調領域を進行する方向とを逆にしたことを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、前記基板は筐体に収められており、前記筐体には、前記変調電極用のＲＦインタフェース、及び、前記バイアス電極用のＤＣインタフェースが設置され、前記筐体の一側面に、前記ＤＣインタフェース、前記ＲＦインタフェース、前記ＤＣインタフェースの順番に設置されていることを特徴とする。
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、前記バイアス電極として、第１のバイアス電極及び第２のバイアス電極を有し、前記基板の長さ方向に対して、前記変調電極、前記第１のバイアス電極、前記第２のバイアス電極の順番を、前記波長毎に入れ替えたことを特徴とする。
本発明によれば、異なる波長の光波を互いに独立に変調する光変調器における基板上の変調電極の配線の取り回しを容易にし、光変調器のサイズの大型化を抑制することができる。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮し、高周波特性の劣化を抑制することができる。
従来の２波長集積型ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の構成例を示す平面図である。 本発明の第１実施例に係る光変調器を説明する平面図である。 本発明の第２実施例に係る光変調器を説明する平面図である。 本発明の第３実施例に係る光変調器を説明する平面図である。 本発明の第４実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
以下、本発明に係る光変調器について詳細に説明する。
本発明に係る光変調器では、例えば図２に示すように、電気光学効果を有する基板１に、波長λ１の光を変調する光変調領域Ｍ１と、波長λ２の光を変調する光変調領域Ｍ２とが該基板の幅方向に並列に形成される。光変調領域Ｍ１，Ｍ２の各々は変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂを有し、基板１の長さ方向に対して、変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの順番を、波長λ１，λ２毎に入れ替えてある。
基板１としては、石英、半導体など光導波路を形成できる基板であれば良く、特に、電気光学効果を有する基板である、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム），ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）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などを用いた基板が好適に利用可能である。
基板１に形成する光導波路２は、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路となる部分の両側に溝を形成したリブ型光導波路や光導波路部分を凸状としたリッジ型導波路も利用可能である。また、ＰＬＣ等の異なる導波路基板に光導波路を形成し、これらの導波路基板を貼り合せ集積した光回路にも、本発明を適用することが可能である。
基板１には、光ファイバ４１から入力された光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための２つの光変調領域Ｍ１，Ｍ２が形成される。光変調領域Ｍ１は波長λ１の光の変調を行うものであり、光変調領域Ｍ２は波長λ２の光の変調を行うものであり、基板の幅方向に並列に形成される。
光変調領域Ｍ１，Ｍ２の各々は、光導波路２と、光導波路２を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極と、光導波路２を伝搬する光波を検出するための受光素子５とを備えている。制御電極としては、制御信号の一種である高周波信号（ＲＦ信号）が印加される変調電極３やこれを取り巻く接地電極（不図示）、制御信号の一種であるＤＣ信号が印加されるバイアス電極４ａ，４ｂなどがある。これら制御電極は、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ることも可能である。
各光変調領域Ｍ１，Ｍ２の光導波路２は、マッハツェンダー型導波路をネスト型に多重に配置した構造となっており、これに相応して多数の制御電極（変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂ）や受光素子５が設けられる。例えば、ネスト型構造において、変調電極３と同じ階層（サブのマッハツェンダー型導波路部）にバイアス電極４ａが設けられ、その１つ上の階層（メインのマッハツェンダー型導波路部）にバイアス電極４ｂが設けられる。また、差動バイアス電極の場合は、それぞれの作用部から２つの電極が接続される。この場合は未接続やＧＮＤ・ケースに接続されるピンもある。
光変調領域Ｍ１の下流には偏波合成部６が配置されており、メインとなるマッハツェンダー型導波路の出力側アーム部を伝搬する光波を偏波合成部６で合成して、光ファイバ４２に出力する。光変調領域Ｍ２についても同様である。偏波合成部６は、空間光学系を用いて偏波合成を行う構造のものや、光導波路を用いて偏波合成を行う構造のものなどがある。
基板１には、基板長さ方向の辺に沿って、ＲＦ信号入力用の接続パッド２１と、ＲＦ信号出力用の接続パッド２２と、ＤＣ信号入力用の接続パッド２３と、モニタ信号出力用の接続パッド２４が並べて配置される。また、基板１の基板長さ方向の辺に隣接させて、ＲＦ信号終端用の終端基板７が配置される。
基板１や終端基板７は、光変調器の筐体８内に収容される。筐体８の一側面には、基板長さ方向の辺に沿って、ＲＦ信号入力用のＲＦインタフェース３１と、ＤＣ信号入力用のＤＣインタフェース３２と、モニタ信号出力用のモニタＰＤインタフェース３３が設けられる。ＲＦインタフェース３１は、例えば、コネクタやＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）を用いて構成される。ＤＣインタフェース３２及びモニタＰＤインタフェース３３は、例えば、ピンやＦＰＣを用いて構成される。
変調電極３は、基板１上に形成された配線１１や接続パッド２１を介して、ＲＦインタフェース３１と電気的に接続される。また、変調電極３は、基板１上に形成された配線１２や接続パッド２２を介して、終端基板８と電気的に接続される。バイアス電極４ａ，４ｂは、基板１上に形成された配線１３や接続パッド２３を介して、ＤＣインタフェース３２と電気的に接続される。受光素子５は、基板１上に形成された配線１４や接続パッド２４を介して、モニタＰＤインタフェース３３と電気的に接続される。各インタフェースと接続パッドは、信号を中継するための中継基板を介して電気的に接続されてもよい。バイアス電極４ａ，４ｂに対する配線１３は、基板１上で変調電極３に対する配線１１と交差する部分（バイアス電極跨ぎ部１５）で、配線１１を跨ぐように配設される。すなわち、バイアス電極跨ぎ部１５では、バイアス電極４ａ，４ｂに対する配線１３よりも変調電極３に対する配線１１を優先した配置とされる。バイアス電極跨ぎ部１５における配線１３は、例えば、ワイヤボンディングにより配線１１を跨ぐ構造とすることができる。なお、各々の配線を積層して設ける構造など、他の構造を用いてもよい。
本発明に係る光変調器の主な特徴は、光変調領域の各々は変調電極及びバイアス電極を有し、基板の長さ方向に対して、変調電極及びバイアス電極の順番を、波長毎に入れ替えたことである。なお、基板の長さ方向は、光波進行方向（図１では図面左側に向かう方向）に対応している。
以下、実施例を参照して具体的に説明する。
図２は、本発明の第１実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
第１実施例に係る光変調器は、波長λ１の光を変調する光変調領域Ｍ１では、光波進行方向について、変調電極３、バイアス電極４ａ、バイアス電極４ｂの順に配置してある。一方、波長λ２の光を変調する光変調領域Ｍ２では、光波進行方向について、バイアス電極４ｂ、バイアス電極４ａ、変調電極３の順に配置してある。すなわち、基板１の長さ方向に対して、変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの順番を、波長λ１，λ２毎に入れ替えてある。換言すれば、光変調領域Ｍ１では変調電極３の後段にバイアス電極４ａ，４ｂを配置し、光変調領域Ｍ２では変調電極３の前段にバイアス電極４ａ，４ｂを配置してある。全体として見た場合、バイアス電極４ａ，４ｂを変調電極３の前段と後段に分散して配置した構成となる。これに対応するように、基板１の一辺には、ＤＣ信号入力用の接続パッド２３、ＲＦ信号入力用の接続パッド２１、ＤＣ信号入力用の接続パッド２３の順に配置してある。また、筐体８の一側面（基板１の一辺に対向する側面）には、ＤＣインタフェース３２、ＲＦインタフェース３１、ＤＣインタフェース３２の順に配置してある。
このように、光波の波長毎（光変調領域毎）に各電極の配置順を入れ替えることで、変調電極を波長毎に基板長さ方向にずらして配置できるので、基板上における変調電極の配線の取り回しが容易となる。したがって、変調電極及びバイアス電極の配置順を揃える構成に比べ、基板上の配線を簡素化して短縮できるため、光変調器のサイズの大型化を抑制することができる。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮できるため、高周波特性の劣化を抑制することができる。通常、１つの信号プロセッサから複数の変調信号（高周波信号）が出力される構成となるため、高周波特性の劣化を抑制したり、光変調器の実装スペースの小型化を図るためには、ＲＦインタフェースは本実施例のように筐体８の一側面にまとまっていることが望ましい。
また、変調電極の配線とバイアス電極の配線との干渉を防止するための干渉防止手段を備えることが好ましい。干渉防止手段としては、例えば、変調電極の配線とバイアス電極の配線との間に、光変調器の筐体に接続して接地された金属などを配設する構成を用いることができる。後述する他の実施例でも同様に干渉防止手段を設けることが好ましい。
図３は、本発明の第２実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
第２実施例に係る光変調器は、波長λ１の光を変調する光変調領域Ｍ１では、光波進行方向について、変調電極３、バイアス電極４ａ、バイアス電極４ｂの順に配置してある。一方、波長λ２の光を変調する光変調領域Ｍ２では、光波進行方向について、バイアス電極４ｂ、変調電極３、バイアス電極４ａの順に配置してある。すなわち、光変調領域Ｍ２において、バイアス電極４ａ，４ｂの全てを変調電極３の前段に配置するのではなく、上位階層側（メインのマッハツェンダー型導波路部）のバイアス電極４ｂだけを変調電極３の前段に配置している。バイアス電極４ａを第１のバイアス電極とし、バイアス電極４ｂを第２のバイアス電極とすると、第２実施例は、基板の長さ方向に対し、変調電極、第１のバイアス電極、第２のバイアス電極を、波長毎に入れ替えた構成となっている。
このような構成でも、変調電極を波長毎に基板長さ方向にずらして配置できるので、基板上における変調電極の配線の取り回しが容易となる。したがって、変調電極及びバイアス電極の配置順を揃える構成に比べ、基板上の配線を簡素化して短縮できるため、変調器のサイズの大型化を抑制することができる。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮できるため、高周波特性の劣化を抑制することができる。
図４は、本発明の第３実施例に係る光変調器を説明する平面図である。以下では、第１及び第２実施例において波長λ１，λ２の各光が進行する方向（図面左側へ向かう方向）を基準方向として説明する。
第１，第２実施例では、波長λ１，波長λ２の各光は、光変調器の基準方向上流側（図面右側）に接続された光ファイバ４１から入力され、光変調領域Ｍ１，Ｍ２による変調後に、光変調器の基準方向下流側（図面左側）に接続された光ファイバ４２へ出力される。
これに対し、第３実施例では、波長λ１の光は、光変調器の基準方向上流側に接続された光ファイバ４１から入力され、光変調領域Ｍ１による変調後に、光変調器の基準方向下流側に接続された光ファイバ４２へ出力される。一方、波長λ２の光は、光変調器の基準方向下流側に接続された光ファイバ４１から入力され、光変調領域Ｍ２による変調後に、光変調器の基準方向上流側に接続された光ファイバ４２へ出力される。
第３実施例に係る光変調器は、波長λ１の光を変調する光変調領域Ｍ１では、波長λ１の光の進行方向（基準方向）について、変調電極３、バイアス電極４ａ、バイアス電極４ｂの順に配置してある。また、波長λ２の光を変調する光変調領域Ｍ２では、波長λ２の光の進行方向（基準方向とは逆方向）について、変調電極３、バイアス電極４ａ、バイアス電極４ｂの順に配置してある。すなわち、基板１の長さ方向に対して、変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの順番を、波長λ１，λ２毎に入れ替えてある。一方の光波の進行方向、例えば基準方向から見ると、光変調領域Ｍ１では変調電極３の後段にバイアス電極４ａ，４ｂを配置し、光変調領域Ｍ２では変調電極３の前段にバイアス電極４ａ，４ｂを配置してある。全体として見た場合、バイアス電極４ａ，４ｂを変調電極３の前段と後段に分散して配置した構成となっている。
このように、第３実施例では、光変調領域Ｍ１における変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの配置順と、光変調領域Ｍ２における変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの配置順とを逆にしてある。また、波長λ１の光が光変調領域Ｍ１を進行する方向と、波長λ２の光が光変調領域Ｍ２を進行する方向とを逆にしてある。
このような構成でも、変調電極を波長毎に基板長さ方向にずらして配置できるので、基板上における変調電極の配線の取り回しが容易となる。したがって、変調電極及びバイアス電極の配置順を揃える構成に比べ、基板上の配線を簡素化して短縮できるため、変調器のサイズの大型化を抑制することができる。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮できるため、高周波特性の劣化を抑制することができる。
図５は、本発明の第４実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
第４実施例に係る光変調器は、基板１上の変調電極３やバイアス電極４ａ，４ｂの配置順を第３実施例と同じにしてある。但し、波長λ１の光は、第３実施例では光変調器の基準方向上流側に接続された光ファイバ４１から入力されるが、第４実施例では光変調器の基準方向下流側に接続された光ファイバ４１から入力される。この光ファイバ４１は、光変調器の筐体８内で逆方向に折り返されて、基準方向上流側から基板１に光を入力する。変調後の波長λ１の光は、基板１の基準方向下流側にある光ファイバ４２へと出力される。この光ファイバ４２は、光変調器内部で逆方向に折り返されて、基準方向上流側から光変調器の外部へと引き出される。光ファイバ４１，４２は、基板１を搭載する変調器基板上で折り返してもよく、外部に接続した導波路基板上で折り返してもよく、空間光学系で折り返してもよい。
このように、第４実施例でも第３実施例と同様に、光変調領域Ｍ１における変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの配置順と、光変調領域Ｍ２における変調電極３及びバイアス電極４ａ，４ｂの配置順とを逆にしてある。また、波長λ１の光が光変調領域Ｍ１を進行する方向と、波長λ２の光が光変調領域Ｍ２を進行する方向とを逆にしてある。
このような構成でも、変調電極を波長毎に基板長さ方向にずらして配置できるので、基板上における変調電極の配線の取り回しが容易となる。したがって、変調電極及びバイアス電極の配置順を揃える構成に比べ、基板上の配線を簡素化して短縮できるため、変調器のサイズの大型化を抑制することができる。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮できるため、高周波特性の劣化を抑制することができる。
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。
例えば、バイアス電極の１つを変調電極の前段に配置して残りは全て後段に配置してもよく、これとは逆に、バイアス電極の１つを変調電極の後段に配置して残りは全て前段に配置してもよい。
以上、説明したように、本発明によれば、異なる波長の光波を互いに独立に変調する光変調器における基板上の変調電極の配線の取り回しを容易にし、光変調器のサイズの大型化を抑制することができる。また、損失の大きい基板上における変調電極の配線を短縮し、高周波特性の劣化を抑制することができる。
１ 基板
２ 光導波路
３ 変調電極
４ａ，４ｂ バイアス電極
５ 受光素子
６ 偏波合成部
７ 終端基板
８ 筐体
１１，１２，１３，１４ 配線
１５ バイアス電極跨ぎ部
２１，２２，２３，２４ 接続パッド
３１ ＲＦインタフェース
３２ ＤＣインタフェース
３３ モニタＰＤインタフェース
４１，４２ 光ファイバ
Ｍ１，Ｍ２ 光変調領域

Claims (4)

  1. 電気光学効果を有する基板に、第１の波長の光を変調する第１の光変調領域と、第２の波長の光を変調する第２の光変調領域とが該基板の幅方向に並列に形成された光変調器において、
    前記光変調領域の各々は変調電極及びバイアス電極を有し、
    前記基板の長さ方向に対して、前記変調電極及び前記バイアス電極の順番を、前記波長毎に入れ替え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、
    前記第１の波長の光が前記第１の光変調領域を進行する方向と、前記第２の波長の光が前記第２の光変調領域を進行する方向とを逆にしたことを特徴とする光変調器。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の光変調器において、
    前記基板は筐体に収められており、
    前記筐体には、前記変調電極用のＲＦインタフェース、及び、前記バイアス電極用のＤＣインタフェースが設置され、
    前記筐体の一側面に、前記ＤＣインタフェース、前記ＲＦインタフェース、前記ＤＣインタフェースの順番に設置されていることを特徴とする光変調器。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光変調器において、
    前記バイアス電極として、第１のバイアス電極及び第２のバイアス電極を有し、
    前記基板の長さ方向に対して、前記変調電極、前記第１のバイアス電極、前記第２のバイアス電極の順番を、前記波長毎に入れ替えたことを特徴とする光変調器。
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