JP2019159115A

JP2019159115A - 光変調器

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Publication number: JP2019159115A
Application number: JP2018045791A
Authority: JP
Inventors: 菊池　順裕; Nobuhiro Kikuchi; 順裕菊池; 英一山田; Hidekazu Yamada; 常祐尾崎; Tsunesuke Ozaki; 義弘小木曽; Yoshihiro Ogiso; 悠太上田; Yuta Ueda; 慎介中野; Shinsuke Nakano
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19
Also published as: US11372307B2; US20210080795A1; WO2019176665A1

Abstract

【課題】光変調領域に効率よく高周波電気信号を入力でき、広帯域な光変調高周波線路を有する光変調器を提供すること。【解決手段】光変調器の高周波線路、すなわち図１と同様に入力高周波線路（Ａ−Ｂ）、光変調高周波線路（Ｂ−Ｃ）及び出力高周波線路（Ｃ−Ｄ）において、入力高周波線路（Ａ−Ｂ）及び出力高周波線路（Ｃ−Ｄ）をそれぞれ複数のセグメントに分割し、隣接するセグメント間で異なる特性インピーダンス、伝搬定数を持つ線路構成とすることを特徴としている。入力高周波線路および出力高周波線路は、マイクロストリップラインを構成する誘電体上に形成されたシグナル電極の幅又は厚みを隣接するセグメント間で変更することで実現可能である。また、シグナル電極の幅又は厚みを変更する代わりに、誘電体の誘電率を変更することでも特性インピーダンスおよび伝搬定数を変化させることが可能である。【選択図】図８

Description

本発明は、高周波変調信号で変調を行う光変調器に関する。

近年の爆発的なデータ通信量の増大に伴い光通信システムの大容量化が求められており、使われる光部品が集積化、複雑化、信号の高速化が進められている。そういった光部品の中には、例えば、光変調器が挙げられる。

最近では、伝送容量を増大するため、ＱＰＳＫや１６ＱＡＭなどの多値変調に対応するマッハ・ツェンダー（ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器をベースとした光Ｉ／Ｑ変調器（例えば、下記非特許文献１参照）が用いられるようになってきている。

図１に、従来の光Ｉ／Ｑ変調器の構成例を示す。光Ｉ／Ｑ変調器１００は、光導波路基板１０１上に並列に配置されたＭＺ干渉計ＭＺａ、ＭＺｂ、およびそれらＭＺ干渉計ＭＺａ、ＭＺｂを並列に接続するＭＺ干渉計ＭＺｃを構成する光回路が形成されている。光導波路基板１０１上には、さらに入力高周波線路１０３、光変調高周波線路１０４および出力高周波線路１０５を含む電極が形成されている。光変調高周波線路１０４は、ＭＺ干渉計ＭＺａ、ＭＺｂの各アーム上に形成されたシグナル電極と、シグナル電極の両側に形成されたグランド電極を含む。また、高周波電気信号を生成する変調器駆動用のドライバＩＣ１０２、および終端抵抗１０６が、入力高周波線路１０３、出力高周波線路１０５にそれぞれ接続されている。

ドライバＩＣ１０２で生成された高周波電気信号は、入力高周波線路１０３を介して光変調領域に形成された光変調高周波線路１０４に入力され、光変調高周波線路１０４において電気光学（ＥＯ）効果により光信号に変調が加えられる。光変調高周波線路１０４を透過した高周波電気信号は、出力高周波線路１０５を通って終端抵抗１０６にて終端される。

光Ｉ／Ｑ変調器１００では、例えば、１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の光変調信号を生成するため、チップ内の各ＭＺ変調器にはそれぞれ数十Ｇｂａｕｄのシンボルレートの高速な高周波電気信号が入力されることになる。このように非常に高い周波数の信号を扱うため、光Ｉ／Ｑ変調器１００には高品質な光信号を生成するために広帯域なＥＯ帯域を持つことが求められる。

広帯域化については、進行波電極の採用が有効な方法として知られている。この進行波電極の設計においては、光変調高周波線路１０４の伝搬ロスが小さいこと、および５０Ωインピーダンス整合と電気と光の速度整合を取ることが重要である。

伝搬ロスの小さい光変調高周波線路１０４を形成する１つの方法として、配線電極の断面積を拡大して配線抵抗を下げることが挙げられる。しかしながら、これは低インピーダンス化と電気の位相速度が高くなるため、伝搬ロス低減を重視しすぎる設計では、場合によりインピーダンス不整合や速度不整合が発生する。インピーダンス不整合が発生するとドライバＩＣ１０２から出力される高周波電気信号が効率よく光変調器に入力できなくなり、反射の影響で波形劣化を招くことになる。また、速度不整合が大きい場合も光変調の効率が低下してしまう。

そのためインピーダンス整合や速度整合を高いレベルで実現する広帯域な光変調高周波線路が求められるが、そのような光変調高周波線路としては容量が装荷された進行波線路（非特許文献２参照）や、セグメント分割された進行波線路（非特許文献３参照）などが知られている。これらの光変調高周波線路では、セグメント毎に所定のインピーダンスになるように設計され、それら複数のセグメントが繰り返されて均一なインピーダンス線路を構成している。

しなしながら、これらの従来の光変調高周波線路は、部分的に光変調を供する導波路と接続された構成となっているため、単位長さ当たりの変調度が落ちるという課題がある。

さらに最近では、ドライバＩＣと光変調器との接続方法として、オープンドレイン、あるいはオープンコレクタ構成が提案されている（非特許文献４参照）。この構成では、ドライバＩＣから変調器を見たインピーダンス整合条件が緩和され、ある範囲内の任意のインピーダンスを持つ光変調器に効率よく高周波電気信号を入力でき、低消費電力化も図れるという特徴を有する。

しかしながら、このオープンドレイン、オープンコレクタを用いた構成では、変調器側からドライバＩＣを見たインピーダンス、すなわち、出力インピーダンスは無限大に見える。そのため、入力高周波線路以降にインピーダンス不整合による反射点があると、そのインピーダンス不整合による反射点と、ドライバＩＣと光変調器との接続点との間で多重反射が発生し、場合により波形劣化を生じさせることがある。

Nobuhiro Kikuchi, et al., "80-Gb/s Low-Driving-Voltage InP DQPSK Modulator With an n-p-i-n Structure", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 21, NO. 12, JUNE 15, 2009, pp. 787-789 Robert G. Walker, "High-speed III-V Semiconductor Intensity Modulators", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 3, MARCH 1991, pp. 654-667 Robert Lewen, et al., "Segmented Transmission-Line Electroabsorption Modulators", Journal of Lightwave Technology, vol. 22, No.1, January 2004, pp. 172-179 N. Wolf, et al., "Electro-Optical Co-Design to Minimize Power Consumption of a 32 GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators", 37th IEEE COMPOUND SEMICONDUCTOR IC (CSIC) SYMPOSIUM, 2015 S. H. Lin, et al., "High-throughput GaAs PIN electroopitc modulator with a 3-dB bandwidth of 9.6 GHz at 1.3 GHz", Applied Optics, Vol.26, No.9, May 1987, pp. 1696-1700

進行波電極型光変調器のＥＯ変調度は、非特許文献５で示されているように、光変調領域の長さ、インピーダンス、電気の伝搬定数、光の群速度によって決まる。ＥＯ帯域が広帯域であるということは、上記ＥＯ変調度の周波数依存性が小さく、高周波側での変調度の落ち込みが小さいということである。

また、ドライバＩＣからの高周波電気信号を効率よく光変調領域へ入力するためには、光変調器の入力側のインピーダンス整合が取れている必要がある。図２は、図１に示した光変調器の１つの高周波線路の等価回路を示すもので、Ｚ_Ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ＭＺ、Ｚ_ｂ、Ｚ_Ｌはそれぞれ入力端、入力高周波線路１０３、ＭＺ変調器部の光変調高周波線路１０４、出力高周波線路１０５、終端抵抗１０６のインピーダンスである。Ｚ_Ｓは通常５０Ωであるため、Ｚ_ａ、Ｚ_ＭＺ、Ｚ_ｂ、Ｚ_Ｌをすべて５０Ωにインピーダンス整合させる設計が一般的である。

しかしながら、設計上や構造上の制約等によってインピーダンス整合が完全に取れない場合もあり、その場合、ドライバＩＣ１０２から入力された高周波電気信号は、各接続点でインピーダンスの差に応じた反射を伴いながら、最終的には終端抵抗１０６で終端される。

例えば、半導体材料を用いた進行波電極型光変調器においては、光変調高周波線路の変調効率と伝搬損失を鑑みて少し低めのインピーダンスを設定する場合がある。ここで、図３、４に、進行波電極型半導体光変調器の線路例の断面を示す。図３に、マイクロストリップ線路を採用した入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５の線路構成を示し、図４に、光変調高周波線路１０４の線路構成を示す。入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５は、光導波路基板３０１上にグランド電極３０２、誘電体３０３、シグナル電極３０４が順に積層された構造を有している。光変調高周波線路１０４は、光導波路基板４０１上に下部クラッド層４０２、コア層４０４、上部クラッド層４０５が順に積層されてリッジ型導波路が形成され、下部クラッド層４０２上にグランド電極４０３、上部クラッド層４０５上にシグナル電極４０６がそれぞれ形成された構造を有している。

図５は、図３、４に示す線路構成を採用した進行波電極型半導体光変調器における入力端、入力高周波線路１０３、ＭＺ変調器部の光変調高周波線路１０４、出力高周波線路１０５、終端抵抗１０６のインピーダンスＺ_Ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ＭＺ、Ｚ_ｂ、Ｚ_Ｌを示したものである。入力端のインピーダンスＺ_Ｓと入力高周波線路１０３のインピーダンスＺ_ａは５０Ω、光変調領域の伝搬ロス低減のため、光変調高周波線路１０４以降の線路、すなわち、光変調高周波線路１０４のインピーダンスＺ_ＭＺ、出力高周波線路１０５のインピーダンスＺ_ｂ、終端抵抗１０６のインピーダンスＺ_Ｌを３０Ωとしている。各部のインピーダンスは、シグナル電極の幅を適切に設定することで実現した。

図６に、図３〜５に示す進行波電極型半導体光変調器に関して計算されたＳパラメータで透過特性Ｓ２１と反射特性Ｓ１１を示す。また、図７に、図３〜５に示す進行波電極型半導体光変調器に関して計算された周波数に対するＥＯ応答を示す。図６に示す計算結果では、入力高周波線路１０３と光変調高周波線路１０４のインターフェースで発生しているインピーダンス不整合により反射特性Ｓ１１が−１０ｄＢ近くまで劣化していることを示している。これは、ドライバＩＣ１０２からの高周波電気信号を効率よく光変調領域へ入力できておらず、ＥＯ帯域も十分伸びているとは言えず、ドライバＩＣ１０２への信号戻りによる波形劣化抑制の観点でも問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは光変調領域に効率よく高周波電気信号を入力でき、広帯域な光変調高周波線路を有する光変調器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態では、光導波路を伝搬する電気信号に対して電気光学効果を供するように形成された光変調高周波線路と、前記光変調高周波線路に接続された入力高周波線路、及び出力高周波線路とを含む高周波線路を備えた光変調器であって、前記光変調高周波線路、前記入力高周波線路、及び前記出力高周波線路のうち少なくとも１つは、複数のセグメントに分割され、前記複数のセグメントの特性インピーダンスおよび伝搬定数が均一な場合よりも前記光変調高周波線路におけるＥＯ帯域が拡大されるように隣接する前記セグメント間で異なる特性インピーダンス及び伝搬定数を有するよう設計されたことを特徴とする。

別の一実施形態では、光導波路を伝搬する電気信号に対して電気光学効果を供するように形成された光変調高周波線路と、前記光変調高周波線路に接続された入力高周波線路、及び出力高周波線路とを含む高周波線路を備えた光変調器であって、前記光変調高周波線路、前記入力高周波線路、及び前記出力高周波線路のうち少なくとも１つは、複数のセグメントに分割され、前記複数のセグメントの特性インピーダンスおよび伝搬定数が均一な場合よりも前記入力高周波線路の入力端で反射特性が小さくなるように隣接する前記セグメント間で異なる特性インピーダンス及び伝搬定数を有するよう設計されたことを特徴とする。

別の実施形態では、さらに前記複数のセグメントに分割された高周波線路は、隣接する前記セグメント間で前記高周波線路のシグナル線路の幅および厚さの少なくとも一方が異なるよう設計されていることを特長とする。

別の実施形態では、さらに前記複数のセグメントに分割された高周波線路は、隣接する前記セグメント間でシグナル電極とグランド電極との電極間距離が異なるよう設計されていることを特徴とする。

別の実施形態では、前記複数のセグメントに分割された高周波線路は、隣接する前記セグメント間でシグナル電極とグランド電極との間の誘電体の誘電率が異なるよう設計されていることを特徴とする。

本発明によれば、大容量光通信用に用いられる高速動作可能で高効率な光変調器を実現することができる。

従来の光Ｉ／Ｑ変調器の構成例を示す図である。図１に示した光変調器の１つの高周波線路の等価回路を示す図である。進行波電極型光変調器のマイクロストリップ線路を採用した入力高周波線路、及び、出力高周波線路の線路構成を示す図である。進行波電極型光変調器の光変調高周波線路の線路構成を示す図である。図３〜５に示す進行波電極型半導体光変調器における入力端、入力高周波線路、ＭＺ変調器部の光変調高周波線路、出力高周波線路、終端抵抗のインピーダンスＺ_Ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ＭＺ、Ｚ_ｂ、Ｚ_Ｌを示す図である。図３〜５に示す進行波電極型半導体光変調器に関して計算されたＳパラメータで透過特性Ｓ２１と反射特性Ｓ１１を示す図である。図３〜５に示す進行波電極型半導体光変調器に関して計算された周波数に対するＥＯ応答を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す図である。本発明の第１の実施形態に係る光変調器の入力高周波線路および出力高周波線路の上面図である。本発明の第１の実施形態に係る光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＳパラメータを示す図である。本発明の第１の実施形態に係る光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＥＯ応答を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るドライバＩＣと光Ｉ／Ｑ変調器との接続にオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す図である。本発明の第１の実施形態に係るオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＥＯ応答を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光変調器の光変調高周波線路の上面図である。本発明の第２の実施形態に係る光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＳパラメータを示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＥＯ応答を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るドライバＩＣと光Ｉ／Ｑ変調器との接続にオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す図である。本発明の第２の実施形態に係るオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＥＯ応答を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について図１に示す半導体光変調器を例に取り説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係わる入力高周波線路、及び、出力高周波線路はマイクロストリップ線路となっており、図３に示す断面図のようにＳＩ−ＩｎＰ基板３０１上にグランド電極３０２、誘電体層３０３、シグナル電極３０４と順次積層された基本構成となっている。また、光変調高周波線路は、図４に示す断面図のようになっており、ＳＩ−ＩｎＰ基板４０１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０２、光導波層として機能するノンドープの半導体コア層４０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層４０５が順次積層されている。また、光導波構造としてハイメサ導波路構造を有し、半導体コア層４０４へ電圧印加を行うため、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０２およびｐ−ＩｎＰクラッド層４０５の上部に、それぞれシグナル電極４０６とグランド電極４０３が設けられている。これら電極の間に負電圧（逆バイアス）を印加すると、半導体コア層４０４において電気光学効果により屈折率変化が発生し、結果、光の位相が変化、すなわち、変調することができる。

半導体コア層４０４は、例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの材料系を用い、単一組成の四元混晶のバルク層や多重量子井戸層で構成することができる。また、半導体コア層４０４は、多重量子井戸層とその上下にバンドギャップが多重量子井戸層よりも大きく、かつ、ＩｎＰ層よりも小さい値を持つ光閉じ込め層を有する構造とすることもできる。さらに、これらの半導体コア層４０４の上下にノンドープのＩｎＰ層を挿入することも可能である。また、四元混晶のバルク層や多重量子井戸層のバンドギャップ波長は、使用する光波長において、電気光学効果が有効に作用し、かつ、光吸収が問題とならないように設定されている。

図８に、本発明の第１の実施形態に係る光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す。図１に示すような光変調器における高周波線路、すなわち入力高周波線路（Ａ−Ｂ）、光変調高周波線路（Ｂ−Ｃ）及び出力高周波線路（Ｃ−Ｄ）において、入力高周波線路（Ａ−Ｂ）及び出力高周波線路（Ｃ−Ｄ）をそれぞれ複数のセグメントに分割し、隣接するセグメント間で異なる特性インピーダンス、伝搬定数を持つ線路構成とすることを特徴としている。このような入力高周波線路および出力高周波線路は、例えば図９に示すようにマイクロストリップラインを構成する誘電体９０１上に形成されたシグナル電極９０２の幅又は厚みを隣接するセグメント間で変更することで実現可能である。また、シグナル電極９０２の幅又は厚みを変更する代わりに、誘電体９０１の誘電率を変更することでも特性インピーダンスおよび伝搬定数を変化させることが可能である。なお、図８、９に示す例は、７セグメントに分割したものである。

このような構成においては、入力端より入力された高周波信号は、入力高周波線路１０３に入ってから終端抵抗１０６に至る間のインピーダンスの不連続点において、そのインピーダンス差に応じて反射量を変えながら反射波が発生し、この反射波はときに多重反射を発生し、互いに重畳したり打ち消し合ったりして、進行波とも合成される。この合成された高周波信号が、光変調領域において電気光学効果により光信号に変調を加える。よって、この反射波の発生を最適に設計し、各周波数において、合成された高調波信号が光変調領域でより高い電圧を維持して、より高い変調度を得られるようにすれば、広帯域で高変調効率の光変調器を実現することができる。

但し、この最適設計を解析的に求めることは難しい。そこで、以下の本発明の実施例では、遺伝的アルゴリズムを用いて反射抑制効果の高い線路構成を求めた。具体的には、図１に示す光Ｉ／Ｑ変調器の入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５のトータルの長さをそれぞれ１．５ｍｍ、光変調高周波線路１０４の長さを３．０ｍｍ、入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５の単位セグメントの長さをそれぞれ１００ｕｍとした。また、入力端インピーダンスＺ_Ｓは５０Ω、光変調高周波線路のインピーダンスＺ_ＭＺ、及び、終端抵抗のインピーダンスＺ_Ｌは３０Ωで固定とした。一方、入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５のインピーダンスはマイクロストリップのシグナル電極幅を変化させ、３０〜７５Ωの間で１８種類の値を取れるようにした。また、構造により決まるインピーダンスに合わせて伝搬定数は一意に決まる。

最適化の手順としては、以下の通りである。まず、１５セグメントある入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５のインピーダンスと伝搬定数の組みの配列を乱数により例えば１００通りの個体を作成する。これを第１世代の個体群とする。次に乱数により２つの個体を選択し、そして、乱数により決められたセグメントで個体の配列を入れ換える（交叉）。さらに、ある設定した確率であるセグメントのインピーダンスと伝搬定数を元の１８種類のインピーダンスと伝搬定数の組みに入れ換える（突然変異）。これらを５０回繰り返すことで新たな１００個の個体が生成できる。この新たな１００個の個体の光変調器全体のＳパラメータとＥＯ帯域を計算し、評価値を算出する。

ここでは、評価値を各周波数のＳ１１の反射量とＥＯ応答の０ｄＢ（変調度１００％）からのずれ量の周波数全体での総和とした。すなわち、この評価値が小さい程、入力端からみた反射が小さく、ＥＯ特性が周波数に対してフラットでＥＯ帯域が広いこととなる。

次に、新たな１００個の個体群から乱数により３個体を選び出し、最も評価値が小さいものを選択し、第２世代の個体とする。これを１００回繰り返すことで、第２世代の１００個の個体群が生成できる。このような手順を所定の回数を繰り返し、世代を経る毎により環境に適合（ＥＯ帯域が広い）した個体群になってくる。そして、最終世代での中でもっとも評価値が小さい配列を最適解として求める。

図１０、１１に、本発明の第１の実施形態に係る光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＳパラメータとＥＯ応答をそれぞれ示す。なお、参考のため、従来技術で挙げた均一な幅の線路におけるＳパラメータとＥＯ応答を比較のため同様にプロットしている。図１０に示すように、本発明では反射が高周波側で特に顕著に抑制されている。これによりドライバＩＣ１０２から高周波信号が効率よく入力できることになる。この反射抑制効果により、ＥＯ帯域もよりスムーズな特性が実現できている。

本発明の第１の実施形態のもう１つの例として、図１２に、ドライバＩＣと光Ｉ／Ｑ変調器との接続にオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路のインピーダンスを示す。先に記載した通り、本構成では変調器側からドライバＩＣ１０２をみるとハイインピーダンスに見えることなる。今回は、仮に入力端のインピーダンスＺ_ｓを１０００Ωとおいて計算を行った。それ以外のパラメータはすべて同じである。また、評価値としては、ＥＯ応答の０ｄＢ（変調度１００％）からのずれ量の周波数全体での総和とした。図１２は、７セグメントに分割した例を示すが、以下の実施例は１５セグメントに分割した例である。

図１３に、本発明の第１の実施形態に係るオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＥＯ応答を示す。参考のため、入力端のインピーダンスＺ_ｓを１０００Ω、入力高周波線路のインピーダンスＺ_ａ、光変調高周波線路のインピーダンスＺ_ＭＺ、出力高周波線路のインピーダンスＺ_ｂ、及び、終端抵抗のインピーダンスＺＬは３０Ωとしたものを図示している。図１３の結果は、本発明を適用したものは、ＥＯ帯域が大幅に伸びていることを示している。

また、本発明を用いると、高周波線路上にワイヤリングなどの構造上の問題でインピーダンス不連続点があったとしても、それを既定のものとして最適化計算に組み込むことで最適解を求めることが可能である。

また、第１の実施形態では、入力高周波線路１０３と出力高周波線路１０５の両方をセグメント分割した例を示したが、入力高周波線路１０３と出力高周波線路１０５とのどちらか一方のみをセグメント分割して最適化しても反射特性およびＥＯ応答特性の改善は可能である。

（第２の実施形態）
図１５に、本発明の第２の実施形態に係る光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す。第１の実施形態が、入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５をセグメントに分割した例であったが、本実施形態では、光変調高周波線路１０４もセグメント分割する。図１５には、入力高周波線路１０３と出力高周波線路１０５とを７セグメントに分割し、光変調高周波線路１０４を１０セグメントに分割した例を示している。

具体的には、入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５のトータルの長さをそれぞれ１．５ｍｍ、光変調高周波線路１０４の長さを３．０ｍｍ、入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５の単位セグメントの長さをそれぞれ１００ｕｍ、光変調高周波線路１０４の単位セグメントの長さを３００ｕｍとした。すなわち、入力高周波線路１０３と出力高周波線路１０５とを１５セグメントに分割し、光変調高周波線路１０４を１０セグメントに分割した。

また、入力端インピーダンスＺ_Ｓは５０Ω、及び、終端抵抗のインピーダンスＺ_Ｌは３０Ωで固定とした。一方、入力高周波線路１０３、及び、出力高周波線路１０５は、マイクロストリップ線路のシグナル線路幅を変化させることでインピーダンスを３０〜７５Ωの間で１８種類の値を取れるようにした。さらに、光変調高周波線路１０４においても、図１４に示すように、シグナル電極１４０１の幅又は厚みを隣接するセグメント間で変化させ、グラウンド電極１４０２との距離を変化させることでインピーダンスを３０Ω〜４０Ωの間で８種類の値を取れるようにした。また、構造により決まるインピーダンスに合わせて伝搬定数は一意に決まる。なお、シグナル電極１４０１の幅又は厚みを変化させる代わりに、グラウンド電極１４０２の幅を変化させることでシグナル電極１４０１とグランド電極１４０２との距離を変化させることで特性インピーダンスおよび伝搬定数を変化させることが可能である。

最適化の手順は、最適化の対象としてセグメント化された光変調領域が加わること以外は、第１の実施形態で示した手法と同様である。評価値を各周波数のＳ１１の反射量とＥＯ応答の０ｄＢ（変調度１００％）からのずれ量の周波数全体での総和とした。

図１６〜１８に、本発明の第２の実施形態に係る光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＳパラメータ、ＥＯ応答、特性インピーダンスをそれぞれ示す。なお図１６、１７には、参考のため、入力端のインピーダンスＺ_Ｓを５０Ω、入力高周波線路１０３のインピーダンスＺ_ａを５０Ω、光変調高周波線路１０４のインピーダンスＺ_ＭＺを３０Ω、出力高周波線路１０５のインピーダンスＺ_ｂを３０Ω、及び、終端抵抗１０６のインピーダンスＺ_Ｌを３０Ωとしたものも図示している。

図１６の結果は、本実施形態では、反射が顕著に抑制されていることを示している。これによりドライバＩＣ１０２から高周波信号が効率よく入力できることになる。電気の透過特性のＳ２１は逆に参考例より劣化しているが、図１７に示すＥＯ応答の結果は、光変調器として重要なＥＯ帯域が大きく改善し、スムーズで広帯域な特性が実現できていることを示している。

図１８に、本発明の第２の実施形態に係るドライバＩＣと光Ｉ／Ｑ変調器との接続にオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路の特性インピーダンスを示す。また図１９に、本発明の第２の実施形態に係るオープンドレイン／オープンコレクタ接続構成を採用した光変調器の高周波線路として最終的に求められた最適解のＥＯ応答を示す。参考に図示されている比較例は、第１の実施形態で示した比較例と同じ構成のものである。図１９の結果は、第２の実施形態を適用したものは、ＥＯ帯域が大幅に伸びていることを示している。

なお、本発明は、第１および第２の実施形態で示した入力高周波線路、出力高周波線路、光変調高周波線路の構造に限定されるものではなく、コプレーナ型の高周波線路など様々な高周波線路に適用できる。また、例示したインピーダンスなどのパラメータ範囲に限定されるものではなく、半導体光変調器を例に示しているが、他の材料、例えば、ＬｉＮｂＯ_３やＳｉを用いた光変調器にも適用できる。

１０１、３０１、４０１光導波路基板
１０２ドライバＩＣ
１０３入力高周波線路
１０４光変調高周波線路
１０５出力高周波線路
１０６終端抵抗
３０２、４０２グランド電極
３０３誘電体
３０４、４０６シグナル電極
４０３下部クラッド層
４０４コア層
４０５上部クラッド層
９０１誘電体
９０２、１４０１シグナル電極
１４０２グランド電極

Claims

光導波路を伝搬する電気信号に対して電気光学効果を供するように形成された光変調高周波線路と、前記光変調高周波線路に接続された入力高周波線路、及び出力高周波線路とを含む高周波線路を備えた光変調器であって、
前記光変調高周波線路、前記入力高周波線路、及び前記出力高周波線路のうち少なくとも１つは、複数のセグメントに分割され、前記複数のセグメントの特性インピーダンスおよび伝搬定数が均一な場合よりも前記光変調高周波線路におけるＥＯ帯域が拡大されるように隣接する前記セグメント間で異なる特性インピーダンス及び伝搬定数を有するよう設計されたことを特徴とする光変調器。
光導波路を伝搬する電気信号に対して電気光学効果を供するように形成された光変調高周波線路と、前記光変調高周波線路に接続された入力高周波線路、及び出力高周波線路とを含む高周波線路を備えた光変調器であって、
前記光変調高周波線路、前記入力高周波線路、及び前記出力高周波線路のうち少なくとも１つは、複数のセグメントに分割され、前記複数のセグメントの特性インピーダンスおよび伝搬定数が均一な場合よりも前記入力高周波線路の入力端で反射特性が小さくなるように隣接する前記セグメント間で異なる特性インピーダンスおよび伝搬定数を有するよう設計されたことを特徴とする光変調器。
前記複数のセグメントに分割された高周波線路は、隣接する前記セグメント間で前記高周波線路のシグナル線路の幅および厚さの少なくとも一方が異なるよう設計されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
前記複数のセグメントに分割された高周波線路は、隣接する前記セグメント間でシグナル電極とグランド電極との電極間距離が異なるよう設計されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
前記複数のセグメントに分割された高周波線路は、隣接する前記セグメント間でシグナル電極とグランド電極との間の誘電体の誘電率が異なるよう設計されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。