JP3695717B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器に関わり、特に、信号電極の少なくとも１本が複数に分岐された信号電極を有する光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速、大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、高周波の光パルスを安定的に発生させる光パルス発生装置が求められており、例えば、外部変調器に代表されるように、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を基板に用いた高速動作可能な光パルス発生用光変調器が実用化されている。
しかも、光パルスを伝送媒体である光ファイバにより長距離に渡り伝送するためには、発生した光パルスのチャープ現象を抑制又は調整し、光ファイバの波長分散により伝送中に光波の波形崩れが発生しないように構成することが必要となる。
【０００３】
チャープ現象を制御した光変調器の例としては、図１に示すように、電気光学効果を有する基板１に、２つの分岐導波路２’を有するマッハツェンダー型光導波路２を形成し、２つの分岐導波路２’上に信号電極３，３’を各々形成すると共に、各信号電極を取り囲むように接地電極４，４’、４’’を配置した光変調器、所謂、デュアル電極型光変調器が知られている。
【０００４】
図１のデュアル電極型光変調器を駆動するためには、反転信号生成回路を有するマイクロ波発生器から発生された、位相が１８０度異なる２つのマイクロ波電気信号ａ，ｂを、光変調器の各信号電極３，３’に各々印加する。光導波路２には光学研磨された基板端面から光波が入射され、光導波路２に形成されたＹ分岐により２つの光波に分波され、分岐導波路２’を各々通過する。各光波は再度、別のＹ分岐により合波され、光導波路２の他端から出射される。
そして、光波は、分岐導波路２’を通過中に、各信号電極３，３’に印加された電気信号ａ，ｂによる基板の屈折率変化のため、光波の位相が変化し、合波した後の光波は、この位相変化に対応した光強度を有することとなる。結果として、マイクロ波電気信号の変化に対応した光パルスを発生することが可能となる。しかも、２つの分岐導波路２’には、２つの信号電極３，３’により均等かつ逆向きの電界が印加されるため、分岐導波路２’を通過する各光は互いに逆方向に同じ大きさの位相差を生じ、合波した際には、光はチャープ量が抑制されたものとなる。
【０００５】
図１に示したデュアル電極型光変調器では、各信号電極３，３’に印加する電気信号ａ，ｂは、位相差を１８０度、電気信号の振幅強度を同じとなるように調整する必要があるため、反転信号生成回路を必要とするだけでなく、マイクロ波発生器から光変調器までのマイクロ波伝送ケーブルの長さや、同軸ケーブルから光変調器内の信号電極への入力損失までも均等になるように調整することが必要となる。
このため、デュアル電極型光変調器を含む光パルス発生システム全体として、構成部材の数が多くなる上、各部材の調整も煩雑化するなど、小型化やコスト低減が難しいという問題を生じていた。
【０００６】
この問題を解消するため、本出願人は、先の出願（特願２００２−２７４５５号）において、図２に示すような、電気光学効果を有する材料からなる基板１と、該基板１上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部２と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐する信号電極分岐部（図２の点Ａ）を有すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路５’を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成した光変調器を提案した。
これにより、チャープ量を抑制すると共に、光パルス発生システム全体における小型化及び低コスト化を両立させる光変調器を、提供することが可能となった。
【０００７】
特願２００２−２７４５５号のように、１本の信号電極を複数の信号電極に分岐させるものは、例えば、図３（ａ）のように、３本の光導波路に対して１つの信号電極を分岐して信号電界を印加するものや、図３（ｂ）のように、２つのマッハツェンダー型光導波路の一部に対して１つの信号電極を分岐して信号電界を印加するものなど、多様な形態がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２の分岐する前の信号電極５と分岐した信号電極５−１，５−２は、通常、各々のインピーダンスが約５０Ωとなるように設定されているため、分岐点の前後で信号電極のインピーダンスが不整合となっていた。このため、信号電極の分岐点において、入力信号であるマイクロ波の反射が発生し、入力信号電圧に対する光変調強度の変化特性を示す半波長電圧Ｖπが上昇する原因となる。
【０００９】
また、図４に示すように、一点鎖線Ｃ，Ｄ，Ｅにおける信号電極と接地電極との断面を見ると、図５（ａ）に示すように、信号電極と接地電極がＣＰＷ（コプレーナ・ウェーブガイド）を形成する場合には、通常、その伝播モードの電界分布は信号電極を中心に左右対称である。しかし、一点鎖線Ｄ，Ｅにおいては、接地電極４’’と４’又は４と４’との間において充分な導通が取られていない場合には、図５（ａ）のモード（以下、「主要モード」と言う）の他に、図５（ｂ）のように各接地電極が同電位とならないもう一つの別の伝播モード（以下、「寄生モード」と言う）が発生する。この寄生モードは、信号電極の下に配置される光導波路に、適正な電界（例えば、Ｚカット基板の場合は、基板表面に垂直な方向に電界を印加することが望ましい）を印加することができないモードであり、寄生モードに結合した電気エネルギーは無駄となってしまう。結果的に変調に必要な主要モードのエネルギーを得るためには、より大きな入力信号電圧が必要となり、半波長電圧Ｖπが上昇することになる。
そして、このような駆動電圧の上昇に係る問題は、１本の信号電極を複数の信号電極に分岐する構造を持つ光変調器に共通して出現する課題であり、しかも、２０ＧＨｚなどの高周波のマイクロ波を入力信号とする場合に特に顕著となる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような１本の信号電極を複数の信号電極に分岐する構造を持つ光変調器に共通するインピーダンス不整合に係る問題を解消し、駆動電圧の低下、周波数特性の向上など優れた光変調特性を有する光変調器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成すると共に、該分岐前の信号電極に係るインピーダンスと該分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスとを、一致させることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に係る発明により、分岐点の前後において信号電極のインピーダンスを一致させているため、分岐前の信号電極側から入力信号であるマイクロ波を入力しても、分岐点におけるマイクロ波の反射を緩和し、効率的に分岐した信号電極に該マイクロ波を伝搬させることが可能となる。
また、１本の信号電極にマイクロ波を入力した場合でも、遅延制御回路を介在させることにより、分岐後の複数の信号電極に、所定位相だけ遅延する信号電界を印加することが可能となると共に、信号電極分岐部においてインピーダンス調整を行うことにより、分岐後の複数の信号電極に、伝播損失の少ないマイクロ波を印加することが可能となり、駆動電圧の低減など光変調特性の優れた光変調器を提供できる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極の厚みを、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明により、信号電極の厚みを変化させることにより、信号電極の抵抗値が変化するため、分岐点の前後において信号電極のインピーダンスを容易に調整することが可能となる。
しかも、厚みの異なる信号電極は、光変調器の製造工程で多用されているフォトリソグラフィー法、エッチング法、蒸着法、又はメッキ法などを利用して形成可能なため、容易に製造できる利点を有する。
【００１５】
また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極と該接地電極との間隔を、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明により、信号電極と接地電極との間隔を変化させることにより、電極間の静電容量が変化するため、分岐点の前後において信号電極のインピーダンスを容易に調整することが可能となる。
また、電極の間隔を広くすることにより、導体損を低減でき、利用可能な周波数帯域が広くなる。
しかも、信号電極と接地電極との間隔は、フォトリソグラフィーにおける電極形成パターンを変更するだけで、容易に調整できるため、製造工程が複雑化せず、しかも製造コストの増加もない。
【００１７】
また、請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該分岐の前では信号電極の両側に接地電極を配置し、該分岐の後では信号電極の片側に接地電極を配置することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明により、信号電極に対向する接地電極の数を変化させることにより、インピーダンスを容易に調整することが可能となる。
また、信号電極に対向する接地電極の数が少ないほど、導体損が低減し、利用可能な周波数帯域が広くなる。
しかも、信号電極に対向する接地電極の数は、フォトリソグラフィーにおける電極形成パターンを変更するだけで、容易に調整できるため、製造工程が複雑化せず、しかも製造コストの増加もない。
【００１９】
また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極の近傍の基板の誘電率を、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする。
そして、請求項６に係る発明では、該基板の誘電率を、基板の厚みを調整して変化させることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明により、信号電極の近傍にある基板の誘電率は、該信号電極に係るインピーダンスに影響を及ぼすため、該誘電率を変化させることにより、インピーダンスを容易に調整することが可能となる。
なお、誘電率の調整方法としては、基板と異なる誘電率特性を有する物質を、該基板内に拡散する方法や、請求項６に係る発明のように、基板の厚みを変化させることで、誘電率を容易に調整することが可能である。
【００２１】
また、請求項７に係る発明では、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成すると共に、該分岐前の信号電極と該分岐後の複数の信号電極との間に、インピーダンス整合線路を形成することを特徴とする。
【００２２】
請求項７に係る発明により、分岐点の前後で信号電極に係るインピーダンスが不整合となる場合であっても、分岐した信号電極と分岐する前の信号電極との間で、インピーダンス整合線路が形成されているため、分岐する前の信号電極側から入力信号であるマイクロ波を入力しても、インピーダンス整合線路がマイクロ波の反射を緩和し、効率的に分岐した信号電極に該マイクロ波を伝搬させることが可能となる。
しかも、インピーダンス整合線路を設けるため、分岐した信号電極のインピーダンスは、通常利用される５０Ωに限定されず、各種の設計に応じた適切な値が選択可能となる。
さらに、１本の信号電極にマイクロ波を入力した場合でも、遅延制御回路を介在させることにより、分岐後の複数の信号電極に、所定位相だけ遅延する信号電界を印加することが可能となると共に、信号電極分岐部においてインピーダンス整合線路によるインピーダンス調整を行うことにより、分岐後の複数の信号電極に、伝播損失の少ないマイクロ波を印加することが可能となり、駆動電圧の低減など光変調特性の優れた光変調器を提供できる。
【００２３】
また、請求項８に係る発明では、請求項７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、該分岐前の信号電極に係るインピーダンスと該分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスとの間のインピーダンス値を有することを特徴とする。
好ましくは、請求項９に係る発明では、請求項７又は８に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路のインピーダンス値Ｚ０１は、次式で表示されることを特徴とする。
Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２
ただし、Ｚ０は分岐前の信号電極に係るインピーダンス、ＺＢは分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスを表す。
【００２４】
請求項８に係る発明により、インピーダンス整合線路のインピーダンス値を、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスと分岐前の信号電極に係るインピーダンスとの間のインピーダンス値とすることにより、各信号電極の接続におけるインピーダンスの変化が段階的となり、より円滑な線路の接合を行なうことが可能となる。しかも、請求項９に係る発明により、該インピーダンス整合線路のインピーダンス値を、分岐前の信号電極に係るインピーダンスＺ０と、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスＺＢとの平均的値とすることにより、より一層、入力信号であるマイクロ波の反射の少ない滑らから線路の接合が可能となる。
また更に、インピーダンス整合線路のインピーダンス値を、分岐前の信号電極に係るインピーダンスＺ０から、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスＺＢまで、多段階的又は連続的にインピーダンス値を変化させてもよい。
【００２５】
また、請求項１０に係る発明では、請求項７乃至９のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、該信号電極に入力するマイクロ波の波長λの４分の１の長さを有することを特徴とする。
【００２６】
請求項１０に係る発明により、分岐する前の信号電極と分岐した信号電極とを結ぶインピーダンス整合線路を、４分の１波長の変成器で構成するため、該分岐する前の信号電極側に反射するマイクロ波を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、請求項１１に係る発明では、請求項７乃至１０のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路のインピーダンスの設定は、該整合線路の線幅を調整することにより行なうことを特徴とする。
【００２８】
請求項１１に係る発明により、光変調器の製造工程における信号電極の形成時に、インピーダンス整合線路に該当する信号電極部分の線幅を調整するのみで容易にインピーダンス整合線路が形成できるため、従来の光変調器の製造プロセスを変更することなく、容易に製造することが可能となる。
【００３１】
また、請求項１２に係る発明では、請求項１乃至３、又は５乃至１１のいずれかに記載の光変調器において、該信号電極を挟むように配置された少なくとも１対の接地電極を有し、該信号電極の分岐部において、分岐前の信号電極を挟むと共に分岐後の信号電極を挟む接地電極の一部を構成する接地電極を、該分岐後の信号電極を挟む他の接地電極に接続するための接地電極接続手段を設けたことを特徴とする。
【００３２】
請求項１２に係る発明により、信号電極の分岐部の近傍に設けられた接地電極接続手段により、分岐前の信号電極を挟む接地電極対と同様に、分岐後の信号電極を挟む接地電極対においても、信号電極と接地電極対との間のマイクロ波の電界分布を主要モードとすることが可能となり、入力信号電圧を上昇させること無く効率的な光変調が達成できる。
しかも、請求項１乃至３、又は５乃至１１に記載された発明の特徴である、信号電極の分岐点におけるマイクロ波の反射抑制効果と組み合わされることにより、より一層、効率的な光変調が可能となる。
【００３３】
また、請求項１３に係る発明では、請求項１２に記載の光変調器において、該接地電極接続手段は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする。
【００３４】
請求項１３に係る発明により、接地電極接続手段としてワイヤーボンディングを利用しているため、信号電極に短絡させること無く、容易に接地電極間の電気的接続を行なうことが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
光変調器を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、又はＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
以下では、表面に垂直な方向に電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸の方向を有する基板（いわゆる「Ｚカット基板」）を中心に説明するが、本発明は、Ｚカット基板に限られるものではない。したがって、分岐導波路などの光導波路に対する信号電極及び接地電極などの位置関係も、基板の種類に応じて変更されることは言うまでもない。
【００３６】
光変調器の製造方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成し、次いで基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの信号電極及び接地電極を構成して、間接的に当該電極を形成する方法がある。
また、バッファ層上にＳｉＮやＳｉ等の膜体を設けた多層構造とすることも可能である。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数の光変調器を作り込み、最後に個々の光変調器のチップに切り離すことにより、光変調器が製造される。
【００３７】
本発明の前提となる光変調器の特徴は、信号電極の少なくとも１本は複数に分岐している信号電極を有することである。このような信号電極を用いた例として、図２に示すもの以外に、図３に示すものなど、多様な形態が存在するが、本発明では、特に、図２に示すように、分岐後の複数の信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、特定の分岐導波路には所定位相に遅延した信号電界が印加されるように構成したものを中心に説明する。
図２においては、信号電極５を２本の信号電極５−１，５−２に分岐し、分岐した信号電極５−２については、更に遅延回路５’に相当する所定長（点Ａから点Ｂまでの区間）の伝送経路を設けている。
該遅延回路５’の長さは、入力信号であるマイクロ波の波長に対して半波長に相当する距離（波長の整数倍に半波長を加算した距離であっても良い。また、長さだけでなく、伝送経路の屈折率を調整する方法も併用できる。）に設定した場合、点Ａと点Ｂでは、入力信号の位相が半周期ずれており、２つの分岐導波路には互いに逆位相の信号電界が印加されることとなる。これは、図１に示したデュアル電極型光変調器と同じ効果を有するにも拘らず、入力信号線は１本で済むため、デュアル電極型光変調器で必要であった、反転信号生成回路や複数本のマイクロ波伝送ケーブルなどを不要とし、優れた効果を有するものである。
【００３８】
図２及び図３のように、１本の信号電極を分岐して複数の信号電極を構成する場合、分岐前の信号電極に係るインピーダンスと、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンス（各信号電極のインピーダンスの総和）とが不整合となる場合には、入力されたマイクロ波が、信号電極の分岐点で反射し、分岐後の複数の信号電極に十分伝播しないという不具合を生じる。
本発明における第１の目的は、このような問題を解消するため、分岐前後における信号電極のインピーダンス整合を図ることである。
【００３９】
インピーダンスの調整方法としては、信号電極の抵抗値を変更する方法、信号電極と接地電極との間の静電容量を変更する方法、信号電極が形成されている基板の誘電率を変更する方法などがある。
信号電極の抵抗値を変更する方法としては、信号電極の断面積を調整することで、容易に抵抗値を変化させることが可能である。信号電極の断面積を変化させるには、信号電極の横幅又は厚みを変化させる必要があるが、横幅の変更は、信号電極が光導波路に印加する変調電界の強さ・方向に大きな影響を及ぼすため、余り好ましくない。このため、信号電極の厚みを調整することにより、抵抗値を変化させている。
厚みの異なる電極を形成するには、光変調器の製造工程の中で、電極を形成する際に、基板上における電極を厚く構成したい場所以外を、レジスト膜で覆い、蒸着又はメッキ法により所定の高さまで電極材料を堆積させ、その後、該レジスト膜を除去するプロセスを付加するだけで良い。
【００４０】
次に、信号電極と接地電極との間の静電容量を変更する方法について説明する。
信号電極と接地電極との間に発生する静電容量は、各電極間の距離により変化する。このため、インピーダンスを上げるには、逆に静電容量を低下させる必要があるため、各電極間の距離を長くする。
また、光変調器では、信号電極及び接地電極の配置として、信号電極を挟むように２つの接地電極を平面状に配置するコプレーナ・ウェーブ・ガイド（ＣＰＷ）と、信号電極の片側のみに接地電極を平面状に配置するコプレーナ・ストリップライン（ＣＰＳ）が利用されている。ＣＰＷよりＣＰＳの方が、静電容量が低くいため、インピーダンスを高くすることが可能である。具体的には、図２に示す電極の配置から接地電極４’を取り除き、分岐前の信号電極についてはＣＰＷを、そして、分岐後の信号電極についてはＣＰＳを利用することにより、分岐点でのインピーダンス整合を図ることが可能である。
このように、信号電極と接地電極との間の静電容量を低下させることにより、導体損が低減でき、利用可能な周波数帯域を広くすることが可能となる。
【００４１】
信号電極が形成されている基板の誘電率を変更する方法について説明する。
基板の誘電率が変化すると、信号電極が形成する変調電界の多くは基板内を透過しているため、静電容量が変化する。静電容量を低下させるためには変調電界が通過する基板内の材料の誘電率を減少させることが必要である。
基板の誘電率を変更するには、図６に示すように、光導波路２’が形成されている場所より下方又は周辺の基板を、基板材料より低い誘電率のもので置き換えることにより行う。置き換える場所については、図６（ａ）のように基板の下部全体を低誘電率材料とする方法や、図６（ｂ），（ｃ）のように、信号電極が形成する変調電界が通過する領域を中心として、低誘電率材料に置き換える方法などがある。
また、低誘電率材料に置き換える方法としては、ＬＮ基板にＭｇＯなどの誘電率の低い材料をドープする方法や、低誘電率材料に置き換える基板領域をエッチングや機械的研磨（サンドブラス法や切削法など）により、溝などの窪みを形成する方法、また、該窪みに低誘電率材料を充填する方法などがある。
【００４２】
基板の厚みを薄くすることにより、信号電極を伝わる電気信号が、誘電率の低い誘電体を通過するため、該電極を伝わる電気信号の感じる屈折率（マイクロ波実効屈折率）は、低くなる。
ところで、基板として強誘電体を利用する場合には、マイクロ波実効屈折率は、光導波路を導波する光の屈折率よりも高くなることが多い。このため、変調可能な周波数は、この屈折率差のために制限される。
基板を薄くすることで、マイクロ波実効屈折率を下げ、電気信号と光との屈折率差を小さくする。これにより、より広い周波数での変調動作が可能となる。
【００４３】
１本の信号電極を分岐して複数の信号電極を構成する場合では、分岐前の信号電極に係るインピーダンスは、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスより、一般的に高くなる。このため、上述したインピーダンスの調整方法は、分岐後の信号電極に係るインピーダンスを高めるために利用するのが、より効果的である。
また、インピーダンス調整を行う際には、上述した方法を適宜組合わせて実施し、多様な調整方法を実現することもできる。
【００４４】
本発明における第２の目的は、分岐前後で異なるインピーダンスを有する信号電極を、インピーダンス整合線路を介して滑らかに接合することである。
具体的には、図２の分岐する前の信号電極５と分岐した信号電極５−１，５−２と接続する信号電極の分岐部に、図７に示すようなインピーダンス整合線路１０を形成することである。
インピーダンス整合線路のインピーダンス値Ｚ０１は、分岐する前の信号電極５のインピーダンス値Ｚ０と、分岐した信号電極５−１及び５−２の合成したインピーダンス値ＺＢとの間の値を設定することにより、信号電極の分岐部におけるマイクロ波の反射を抑制している。
好ましくは、式Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２で表される値を設定することが望ましい。
【００４５】
しかも、図７に示すようにインピーダンス整合線路１０の長さを入力するマイクロ波の４分の１波長に設定することにより、４分の１波長の変成器が構成でき、分岐する前の信号電極５側へのマイクロ波の反射を抑制することが可能となる。
さらに、インピーダンス整合線路１０のインピーダンス値を所定の値にする設定する方法として、信号電極の線幅の調整により行なうことも可能であり、この場合には、信号電極の形成時のマスクパターンを調整することで、簡単にインピーダンス整合線路１０が形成できる。
また、インピーダンス整合線路の形状としては、図７に示したものに限らず、図８（ａ）に示すような４分の１波長の変成器を多段的に組合せたものや、図８（ｂ）に示すようなテーパ状に連続的に変化するものなど、多様な形状が設定できる。このように多段的又は連続的にインピーダンスを変化させることにより、より効果的にマイクロ波の反射を抑制することが可能となる。
【００４６】
仮に、分岐する前の信号電極５のインピーダンス値Ｚ０を５０Ω、分岐した信号電極５−１及び５−２の各インピーダンス値を５０Ωとした場合、分岐した信号電極の合成されるインピーダンス値ＺＢは、２５Ωとなり、インピーダンス整合線路を有しない場合のマイクロ波のエネルギー反射率は、０．１１程度となる。これに対し、上述したインピーダンス値Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２を有する４分の１波長の変成器（２０ＧＨｚ用を想定）を用いた場合には、１７〜２３ＧＨｚのマイクロ波に関するエネルギー反射率は、０．００７以下となり、マイクロ波の反射が効果的に抑制されていることが理解される。
【００４７】
また、インピーダンス整合線路１０を設けることにより、分岐した信号電極５−１及び５−２の各インピーダンス値を、例えば、６０や７０Ωなどのように、５０Ω以上、１００Ω以下の範囲において自由に設定できるため、半波長電圧Ｖπを低下させる信号電極の形状が自由に選択できる。しかも、インピーダンス整合線路があるため、広帯域の応答特性の劣化も抑制される。
上述した信号電極に係るインピーダンスの調整と、分岐点におけるインピーダンス整合線路とを、組合わせて用いることも可能である。具体例として、図１０に示すように、分岐する前の信号電極をＣＰＷとし、分岐後の信号電極をＣＰＳとすることにより、分岐後の信号電極に係るインピーダンスを高め、分岐前後におけるインピーダンスの差を少なくすると共に、分岐点におけるインピーダンス整合線路を設けることにより、より滑らかな接続が可能となる。このように、インピーダンス整合を２つの構成で達成するため、インピーダンス調整又はインピーダンス整合線路に係る個々の役割を軽減でき、信号電極の設計自由度が向上する。例えば、５０Ωのインピーダンス値の設定に縛られることなく、信号電極が光導波路に形成する電界の重なり積分値をより大きく、あるいはマイクロ波の伝搬損失をより小さく設定することも可能となり、半波長電圧Ｖπの低減化が可能となる。
【００４８】
次に、本発明の他の実施例として、図９に示すように、信号電極の分岐部の近傍を取り囲む接地電極対４と４’及び４’’と４’とを互いにワイヤーボンディング１１などの接地電極接続手段により接続するため、信号電極を挟む接地電極対の電位が常に同じとなり、信号電極と接地電極とにより形成されるマイクロ波の電界分布を、主要モードに維持することが可能となる。
ワイヤーボンディング１１はいずれか一方でも効果を有するが、分岐した信号電極５−１，５−２に対応して、各々に配置するほうがより高い効果が期待できる。
図９に示した構成は、先に述べたインピーダンス整合線路の構成を組合せることで、より一層の半波長電圧Ｖπなどの駆動電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００４９】
本発明は、上述した内容に限定されるものではなく、当該技術分野で公知の技術を付加したものや、また、分岐後の信号電極の一部に遅延制御回路を有する光変調器についても、先の出願（特願２００２−２７４５５号）で述べたような、各種の改善を施したものを含むことは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、分岐した信号電極を有する光変調器において、分岐部におけるマイクロ波の反射を抑制し、また、信号電極と接地電極の形成する電界を適正に維持することが可能となるため、高周波の入力信号においても、半波長電圧Ｖπなどの駆動電圧の上昇を抑制し、周波数特性も向上させた、優れた光変調器を提供することができる。
また、
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のデュアル電極型光変調器の平面図。
【図２】 先の出願に示した遅延制御回路を有する光変調器の平面図。
【図３】 分岐した信号電極の応用例を示す図
【図４】 信号電極の分岐部における従来の構造を示す図。
【図５】 信号電極上を伝播するマイクロ波の主要モード（ａ）、寄生モード（ｂ）の電気力線を示す図。
【図６】 基板の誘電率を変化させた状態を示す光変調器の断面図であり、（ａ）は基板下部全面を、（ｂ），（ｃ）は基板下部の一部を低誘電率材料で置き換えたものを示す。
【図７】 インピーダンス整合線路を設けた信号電極の構造を示す図。
【図８】 インピーダンス整合線路として多段λ／４変成器（ａ）、テーパー線路変成器（ｂ）の例を示す図。
【図９】 ワイヤーボンディングによる接地電極間の接続構造を示す図。
【図１０】 信号電極と接続電極との形状をＣＰＷからＣＰＳへ変更する場合の光変調器の平面図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 光導波路
２’ 分岐導波路
３ 信号電極
４ 接地電極
５ 信号電極
５−１，５−２ 分岐した信号電極
５’ 遅延回路
１０ インピーダンス整合線路
１１ ワイヤーボンディング
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器に関わり、特に、信号電極の少なくとも１本が複数に分岐された信号電極を有する光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速、大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、高周波の光パルスを安定的に発生させる光パルス発生装置が求められており、例えば、外部変調器に代表されるように、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を基板に用いた高速動作可能な光パルス発生用光変調器が実用化されている。
しかも、光パルスを伝送媒体である光ファイバにより長距離に渡り伝送するためには、発生した光パルスのチャープ現象を抑制又は調整し、光ファイバの波長分散により伝送中に光波の波形崩れが発生しないように構成することが必要となる。
【０００３】
チャープ現象を制御した光変調器の例としては、図１に示すように、電気光学効果を有する基板１に、２つの分岐導波路２’を有するマッハツェンダー型光導波路２を形成し、２つの分岐導波路２’上に信号電極３，３’を各々形成すると共に、各信号電極を取り囲むように接地電極４，４’、４’’を配置した光変調器、所謂、デュアル電極型光変調器が知られている。
【０００４】
図１のデュアル電極型光変調器を駆動するためには、反転信号生成回路を有するマイクロ波発生器から発生された、位相が１８０度異なる２つのマイクロ波電気信号ａ，ｂを、光変調器の各信号電極３，３’に各々印加する。光導波路２には光学研磨された基板端面から光波が入射され、光導波路２に形成されたＹ分岐により２つの光波に分波され、分岐導波路２’を各々通過する。各光波は再度、別のＹ分岐により合波され、光導波路２の他端から出射される。
そして、光波は、分岐導波路２’を通過中に、各信号電極３，３’に印加された電気信号ａ，ｂによる基板の屈折率変化のため、光波の位相が変化し、合波した後の光波は、この位相変化に対応した光強度を有することとなる。結果として、マイクロ波電気信号の変化に対応した光パルスを発生することが可能となる。しかも、２つの分岐導波路２’には、２つの信号電極３，３’により均等かつ逆向きの電界が印加されるため、分岐導波路２’を通過する各光は互いに逆方向に同じ大きさの位相差を生じ、合波した際には、光はチャープ量が抑制されたものとなる。
【０００５】
図１に示したデュアル電極型光変調器では、各信号電極３，３’に印加する電気信号ａ，ｂは、位相差を１８０度、電気信号の振幅強度を同じとなるように調整する必要があるため、反転信号生成回路を必要とするだけでなく、マイクロ波発生器から光変調器までのマイクロ波伝送ケーブルの長さや、同軸ケーブルから光変調器内の信号電極への入力損失までも均等になるように調整することが必要となる。
このため、デュアル電極型光変調器を含む光パルス発生システム全体として、構成部材の数が多くなる上、各部材の調整も煩雑化するなど、小型化やコスト低減が難しいという問題を生じていた。
【０００６】
この問題を解消するため、本出願人は、先の出願（特願２００２−２７４５５号）において、図２に示すような、電気光学効果を有する材料からなる基板１と、該基板１上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部２と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐する信号電極分岐部（図２の点Ａ）を有すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路５’を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成した光変調器を提案した。
これにより、チャープ量を抑制すると共に、光パルス発生システム全体における小型化及び低コスト化を両立させる光変調器を、提供することが可能となった。
【０００７】
特願２００２−２７４５５号のように、１本の信号電極を複数の信号電極に分岐させるものは、例えば、図３（ａ）のように、３本の光導波路に対して１つの信号電極を分岐して信号電界を印加するものや、図３（ｂ）のように、２つのマッハツェンダー型光導波路の一部に対して１つの信号電極を分岐して信号電界を印加するものなど、多様な形態がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２の分岐する前の信号電極５と分岐した信号電極５−１，５−２は、通常、各々のインピーダンスが約５０Ωとなるように設定されているため、分岐点の前後で信号電極のインピーダンスが不整合となっていた。このため、信号電極の分岐点において、入力信号であるマイクロ波の反射が発生し、入力信号電圧に対する光変調強度の変化特性を示す半波長電圧Ｖπが上昇する原因となる。
【０００９】
また、図４に示すように、一点鎖線Ｃ，Ｄ，Ｅにおける信号電極と接地電極との断面を見ると、図５（ａ）に示すように、信号電極と接地電極がＣＰＷ（コプレーナ・ウェーブガイド）を形成する場合には、通常、その伝播モードの電界分布は信号電極を中心に左右対称である。しかし、一点鎖線Ｄ，Ｅにおいては、接地電極４’’と４’又は４と４’との間において充分な導通が取られていない場合には、図５（ａ）のモード（以下、「主要モード」と言う）の他に、図５（ｂ）のように各接地電極が同電位とならないもう一つの別の伝播モード（以下、「寄生モード」と言う）が発生する。この寄生モードは、信号電極の下に配置される光導波路に、適正な電界（例えば、Ｚカット基板の場合は、基板表面に垂直な方向に電界を印加することが望ましい）を印加することができないモードであり、寄生モードに結合した電気エネルギーは無駄となってしまう。結果的に変調に必要な主要モードのエネルギーを得るためには、より大きな入力信号電圧が必要となり、半波長電圧Ｖπが上昇することになる。
そして、このような駆動電圧の上昇に係る問題は、１本の信号電極を複数の信号電極に分岐する構造を持つ光変調器に共通して出現する課題であり、しかも、２０ＧＨｚなどの高周波のマイクロ波を入力信号とする場合に特に顕著となる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、上述したような１本の信号電極を複数の信号電極に分岐する構造を持つ光変調器に共通するインピーダンス不整合に係る問題を解消し、駆動電圧の低下、周波数特性の向上など優れた光変調特性を有する光変調器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成すると共に、該分岐前の信号電極に係るインピーダンスと該分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスとを、一致させることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に係る発明により、分岐点の前後において信号電極のインピーダンスを一致させているため、分岐前の信号電極側から入力信号であるマイクロ波を入力しても、分岐点におけるマイクロ波の反射を緩和し、効率的に分岐した信号電極に該マイクロ波を伝搬させることが可能となる。
また、１本の信号電極にマイクロ波を入力した場合でも、遅延制御回路を介在させることにより、分岐後の複数の信号電極に、所定位相だけ遅延する信号電界を印加することが可能となると共に、信号電極分岐部においてインピーダンス調整を行うことにより、分岐後の複数の信号電極に、伝播損失の少ないマイクロ波を印加することが可能となり、駆動電圧の低減など光変調特性の優れた光変調器を提供できる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極の厚みを、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明により、信号電極の厚みを変化させることにより、信号電極の抵抗値が変化するため、分岐点の前後において信号電極のインピーダンスを容易に調整することが可能となる。
しかも、厚みの異なる信号電極は、光変調器の製造工程で多用されているフォトリソグラフィー法、エッチング法、蒸着法、又はメッキ法などを利用して形成可能なため、容易に製造できる利点を有する。
【００１５】
また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極と該接地電極との間隔を、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明により、信号電極と接地電極との間隔を変化させることにより、電極間の静電容量が変化するため、分岐点の前後において信号電極のインピーダンスを容易に調整することが可能となる。
また、電極の間隔を広くすることにより、導体損を低減でき、利用可能な周波数帯域が広くなる。
しかも、信号電極と接地電極との間隔は、フォトリソグラフィーにおける電極形成パターンを変更するだけで、容易に調整できるため、製造工程が複雑化せず、しかも製造コストの増加もない。
【００１７】
また、請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該分岐の前では信号電極の両側に接地電極を配置し、該分岐の後では信号電極の片側に接地電極を配置することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明により、信号電極に対向する接地電極の数を変化させることにより、インピーダンスを容易に調整することが可能となる。
また、信号電極に対向する接地電極の数が少ないほど、導体損が低減し、利用可能な周波数帯域が広くなる。
しかも、信号電極に対向する接地電極の数は、フォトリソグラフィーにおける電極形成パターンを変更するだけで、容易に調整できるため、製造工程が複雑化せず、しかも製造コストの増加もない。
【００１９】
また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極の近傍の基板の誘電率を、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする。
そして、請求項６に係る発明では、該基板の誘電率を、基板の厚みを調整して変化させることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明により、信号電極の近傍にある基板の誘電率は、該信号電極に係るインピーダンスに影響を及ぼすため、該誘電率を変化させることにより、インピーダンスを容易に調整することが可能となる。
なお、誘電率の調整方法としては、基板と異なる誘電率特性を有する物質を、該基板内に拡散する方法や、請求項６に係る発明のように、基板の厚みを変化させることで、誘電率を容易に調整することが可能である。
【００２１】
また、請求項７に係る発明では、電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成すると共に、該分岐前の信号電極と該分岐後の複数の信号電極との間に、インピーダンス整合線路を形成することを特徴とする。
【００２２】
請求項７に係る発明により、分岐点の前後で信号電極に係るインピーダンスが不整合となる場合であっても、分岐した信号電極と分岐する前の信号電極との間で、インピーダンス整合線路が形成されているため、分岐する前の信号電極側から入力信号であるマイクロ波を入力しても、インピーダンス整合線路がマイクロ波の反射を緩和し、効率的に分岐した信号電極に該マイクロ波を伝搬させることが可能となる。
しかも、インピーダンス整合線路を設けるため、分岐した信号電極のインピーダンスは、通常利用される５０Ωに限定されず、各種の設計に応じた適切な値が選択可能となる。
さらに、１本の信号電極にマイクロ波を入力した場合でも、遅延制御回路を介在させることにより、分岐後の複数の信号電極に、所定位相だけ遅延する信号電界を印加することが可能となると共に、信号電極分岐部においてインピーダンス整合線路によるインピーダンス調整を行うことにより、分岐後の複数の信号電極に、伝播損失の少ないマイクロ波を印加することが可能となり、駆動電圧の低減など光変調特性の優れた光変調器を提供できる。
【００２３】
また、請求項８に係る発明では、請求項７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、該分岐前の信号電極に係るインピーダンスと該分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスとの間のインピーダンス値を有することを特徴とする。
好ましくは、請求項９に係る発明では、請求項７又は８に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路のインピーダンス値Ｚ０１は、次式で表示されることを特徴とする。
Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２
ただし、Ｚ０は分岐前の信号電極に係るインピーダンス、ＺＢは分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスを表す。
【００２４】
請求項８に係る発明により、インピーダンス整合線路のインピーダンス値を、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスと分岐前の信号電極に係るインピーダンスとの間のインピーダンス値とすることにより、各信号電極の接続におけるインピーダンスの変化が段階的となり、より円滑な線路の接合を行なうことが可能となる。しかも、請求項９に係る発明により、該インピーダンス整合線路のインピーダンス値を、分岐前の信号電極に係るインピーダンスＺ０と、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスＺＢとの平均的値とすることにより、より一層、入力信号であるマイクロ波の反射の少ない滑らから線路の接合が可能となる。
また更に、インピーダンス整合線路のインピーダンス値を、分岐前の信号電極に係るインピーダンスＺ０から、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスＺＢまで、多段階的又は連続的にインピーダンス値を変化させてもよい。
【００２５】
また、請求項１０に係る発明では、請求項７乃至９のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、該信号電極に入力するマイクロ波の波長λの４分の１の長さを有することを特徴とする。
【００２６】
請求項１０に係る発明により、分岐する前の信号電極と分岐した信号電極とを結ぶインピーダンス整合線路を、４分の１波長の変成器で構成するため、該分岐する前の信号電極側に反射するマイクロ波を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、請求項１１に係る発明では、請求項７乃至１０のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路のインピーダンスの設定は、該整合線路の線幅を調整することにより行なうことを特徴とする。
【００２８】
請求項１１に係る発明により、光変調器の製造工程における信号電極の形成時に、インピーダンス整合線路に該当する信号電極部分の線幅を調整するのみで容易にインピーダンス整合線路が形成できるため、従来の光変調器の製造プロセスを変更することなく、容易に製造することが可能となる。
【００３１】
また、請求項１２に係る発明では、請求項１乃至３、又は５乃至１１のいずれかに記載の光変調器において、該信号電極を挟むように配置された少なくとも１対の接地電極を有し、該信号電極の分岐部において、分岐前の信号電極を挟むと共に分岐後の信号電極を挟む接地電極の一部を構成する接地電極を、該分岐後の信号電極を挟む他の接地電極に接続するための接地電極接続手段を設けたことを特徴とする。
【００３２】
請求項１２に係る発明により、信号電極の分岐部の近傍に設けられた接地電極接続手段により、分岐前の信号電極を挟む接地電極対と同様に、分岐後の信号電極を挟む接地電極対においても、信号電極と接地電極対との間のマイクロ波の電界分布を主要モードとすることが可能となり、入力信号電圧を上昇させること無く効率的な光変調が達成できる。
しかも、請求項１乃至３、又は５乃至１１に記載された発明の特徴である、信号電極の分岐点におけるマイクロ波の反射抑制効果と組み合わされることにより、より一層、効率的な光変調が可能となる。
【００３３】
また、請求項１３に係る発明では、請求項１２に記載の光変調器において、該接地電極接続手段は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする。
【００３４】
請求項１３に係る発明により、接地電極接続手段としてワイヤーボンディングを利用しているため、信号電極に短絡させること無く、容易に接地電極間の電気的接続を行なうことが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
光変調器を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、又はＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
以下では、表面に垂直な方向に電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸の方向を有する基板（いわゆる「Ｚカット基板」）を中心に説明するが、本発明は、Ｚカット基板に限られるものではない。したがって、分岐導波路などの光導波路に対する信号電極及び接地電極などの位置関係も、基板の種類に応じて変更されることは言うまでもない。
【００３６】
光変調器の製造方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成し、次いで基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの信号電極及び接地電極を構成して、間接的に当該電極を形成する方法がある。
また、バッファ層上にＳｉＮやＳｉ等の膜体を設けた多層構造とすることも可能である。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数の光変調器を作り込み、最後に個々の光変調器のチップに切り離すことにより、光変調器が製造される。
【００３７】
本発明の前提となる光変調器の特徴は、信号電極の少なくとも１本は複数に分岐している信号電極を有することである。このような信号電極を用いた例として、図２に示すもの以外に、図３に示すものなど、多様な形態が存在するが、本発明では、特に、図２に示すように、分岐後の複数の信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、特定の分岐導波路には所定位相に遅延した信号電界が印加されるように構成したものを中心に説明する。
図２においては、信号電極５を２本の信号電極５−１，５−２に分岐し、分岐した信号電極５−２については、更に遅延回路５’に相当する所定長（点Ａから点Ｂまでの区間）の伝送経路を設けている。
該遅延回路５’の長さは、入力信号であるマイクロ波の波長に対して半波長に相当する距離（波長の整数倍に半波長を加算した距離であっても良い。また、長さだけでなく、伝送経路の屈折率を調整する方法も併用できる。）に設定した場合、点Ａと点Ｂでは、入力信号の位相が半周期ずれており、２つの分岐導波路には互いに逆位相の信号電界が印加されることとなる。これは、図１に示したデュアル電極型光変調器と同じ効果を有するにも拘らず、入力信号線は１本で済むため、デュアル電極型光変調器で必要であった、反転信号生成回路や複数本のマイクロ波伝送ケーブルなどを不要とし、優れた効果を有するものである。
【００３８】
図２及び図３のように、１本の信号電極を分岐して複数の信号電極を構成する場合、分岐前の信号電極に係るインピーダンスと、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンス（各信号電極のインピーダンスの総和）とが不整合となる場合には、入力されたマイクロ波が、信号電極の分岐点で反射し、分岐後の複数の信号電極に十分伝播しないという不具合を生じる。
本発明における第１の目的は、このような問題を解消するため、分岐前後における信号電極のインピーダンス整合を図ることである。
【００３９】
インピーダンスの調整方法としては、信号電極の抵抗値を変更する方法、信号電極と接地電極との間の静電容量を変更する方法、信号電極が形成されている基板の誘電率を変更する方法などがある。
信号電極の抵抗値を変更する方法としては、信号電極の断面積を調整することで、容易に抵抗値を変化させることが可能である。信号電極の断面積を変化させるには、信号電極の横幅又は厚みを変化させる必要があるが、横幅の変更は、信号電極が光導波路に印加する変調電界の強さ・方向に大きな影響を及ぼすため、余り好ましくない。このため、信号電極の厚みを調整することにより、抵抗値を変化させている。
厚みの異なる電極を形成するには、光変調器の製造工程の中で、電極を形成する際に、基板上における電極を厚く構成したい場所以外を、レジスト膜で覆い、蒸着又はメッキ法により所定の高さまで電極材料を堆積させ、その後、該レジスト膜を除去するプロセスを付加するだけで良い。
【００４０】
次に、信号電極と接地電極との間の静電容量を変更する方法について説明する。
信号電極と接地電極との間に発生する静電容量は、各電極間の距離により変化する。このため、インピーダンスを上げるには、逆に静電容量を低下させる必要があるため、各電極間の距離を長くする。
また、光変調器では、信号電極及び接地電極の配置として、信号電極を挟むように２つの接地電極を平面状に配置するコプレーナ・ウェーブ・ガイド（ＣＰＷ）と、信号電極の片側のみに接地電極を平面状に配置するコプレーナ・ストリップライン（ＣＰＳ）が利用されている。ＣＰＷよりＣＰＳの方が、静電容量が低くいため、インピーダンスを高くすることが可能である。具体的には、図２に示す電極の配置から接地電極４’を取り除き、分岐前の信号電極についてはＣＰＷを、そして、分岐後の信号電極についてはＣＰＳを利用することにより、分岐点でのインピーダンス整合を図ることが可能である。
このように、信号電極と接地電極との間の静電容量を低下させることにより、導体損が低減でき、利用可能な周波数帯域を広くすることが可能となる。
【００４１】
信号電極が形成されている基板の誘電率を変更する方法について説明する。
基板の誘電率が変化すると、信号電極が形成する変調電界の多くは基板内を透過しているため、静電容量が変化する。静電容量を低下させるためには変調電界が通過する基板内の材料の誘電率を減少させることが必要である。
基板の誘電率を変更するには、図６に示すように、光導波路２’が形成されている場所より下方又は周辺の基板を、基板材料より低い誘電率のもので置き換えることにより行う。置き換える場所については、図６（ａ）のように基板の下部全体を低誘電率材料とする方法や、図６（ｂ），（ｃ）のように、信号電極が形成する変調電界が通過する領域を中心として、低誘電率材料に置き換える方法などがある。
また、低誘電率材料に置き換える方法としては、ＬＮ基板にＭｇＯなどの誘電率の低い材料をドープする方法や、低誘電率材料に置き換える基板領域をエッチングや機械的研磨（サンドブラス法や切削法など）により、溝などの窪みを形成する方法、また、該窪みに低誘電率材料を充填する方法などがある。
【００４２】
基板の厚みを薄くすることにより、信号電極を伝わる電気信号が、誘電率の低い誘電体を通過するため、該電極を伝わる電気信号の感じる屈折率（マイクロ波実効屈折率）は、低くなる。
ところで、基板として強誘電体を利用する場合には、マイクロ波実効屈折率は、光導波路を導波する光の屈折率よりも高くなることが多い。このため、変調可能な周波数は、この屈折率差のために制限される。
基板を薄くすることで、マイクロ波実効屈折率を下げ、電気信号と光との屈折率差を小さくする。これにより、より広い周波数での変調動作が可能となる。
【００４３】
１本の信号電極を分岐して複数の信号電極を構成する場合では、分岐前の信号電極に係るインピーダンスは、分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスより、一般的に高くなる。このため、上述したインピーダンスの調整方法は、分岐後の信号電極に係るインピーダンスを高めるために利用するのが、より効果的である。
また、インピーダンス調整を行う際には、上述した方法を適宜組合わせて実施し、多様な調整方法を実現することもできる。
【００４４】
本発明における第２の目的は、分岐前後で異なるインピーダンスを有する信号電極を、インピーダンス整合線路を介して滑らかに接合することである。
具体的には、図２の分岐する前の信号電極５と分岐した信号電極５−１，５−２と接続する信号電極の分岐部に、図７に示すようなインピーダンス整合線路１０を形成することである。
インピーダンス整合線路のインピーダンス値Ｚ０１は、分岐する前の信号電極５のインピーダンス値Ｚ０と、分岐した信号電極５−１及び５−２の合成したインピーダンス値ＺＢとの間の値を設定することにより、信号電極の分岐部におけるマイクロ波の反射を抑制している。
好ましくは、式Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２で表される値を設定することが望ましい。
【００４５】
しかも、図７に示すようにインピーダンス整合線路１０の長さを入力するマイクロ波の４分の１波長に設定することにより、４分の１波長の変成器が構成でき、分岐する前の信号電極５側へのマイクロ波の反射を抑制することが可能となる。
さらに、インピーダンス整合線路１０のインピーダンス値を所定の値にする設定する方法として、信号電極の線幅の調整により行なうことも可能であり、この場合には、信号電極の形成時のマスクパターンを調整することで、簡単にインピーダンス整合線路１０が形成できる。
また、インピーダンス整合線路の形状としては、図７に示したものに限らず、図８（ａ）に示すような４分の１波長の変成器を多段的に組合せたものや、図８（ｂ）に示すようなテーパ状に連続的に変化するものなど、多様な形状が設定できる。このように多段的又は連続的にインピーダンスを変化させることにより、より効果的にマイクロ波の反射を抑制することが可能となる。
【００４６】
仮に、分岐する前の信号電極５のインピーダンス値Ｚ０を５０Ω、分岐した信号電極５−１及び５−２の各インピーダンス値を５０Ωとした場合、分岐した信号電極の合成されるインピーダンス値ＺＢは、２５Ωとなり、インピーダンス整合線路を有しない場合のマイクロ波のエネルギー反射率は、０．１１程度となる。これに対し、上述したインピーダンス値Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２を有する４分の１波長の変成器（２０ＧＨｚ用を想定）を用いた場合には、１７〜２３ＧＨｚのマイクロ波に関するエネルギー反射率は、０．００７以下となり、マイクロ波の反射が効果的に抑制されていることが理解される。
【００４７】
また、インピーダンス整合線路１０を設けることにより、分岐した信号電極５−１及び５−２の各インピーダンス値を、例えば、６０や７０Ωなどのように、５０Ω以上、１００Ω以下の範囲において自由に設定できるため、半波長電圧Ｖπを低下させる信号電極の形状が自由に選択できる。しかも、インピーダンス整合線路があるため、広帯域の応答特性の劣化も抑制される。
上述した信号電極に係るインピーダンスの調整と、分岐点におけるインピーダンス整合線路とを、組合わせて用いることも可能である。具体例として、図１０に示すように、分岐する前の信号電極をＣＰＷとし、分岐後の信号電極をＣＰＳとすることにより、分岐後の信号電極に係るインピーダンスを高め、分岐前後におけるインピーダンスの差を少なくすると共に、分岐点におけるインピーダンス整合線路を設けることにより、より滑らかな接続が可能となる。このように、インピーダンス整合を２つの構成で達成するため、インピーダンス調整又はインピーダンス整合線路に係る個々の役割を軽減でき、信号電極の設計自由度が向上する。例えば、５０Ωのインピーダンス値の設定に縛られることなく、信号電極が光導波路に形成する電界の重なり積分値をより大きく、あるいはマイクロ波の伝搬損失をより小さく設定することも可能となり、半波長電圧Ｖπの低減化が可能となる。
【００４８】
次に、本発明の他の実施例として、図９に示すように、信号電極の分岐部の近傍を取り囲む接地電極対４と４’及び４’’と４’とを互いにワイヤーボンディング１１などの接地電極接続手段により接続するため、信号電極を挟む接地電極対の電位が常に同じとなり、信号電極と接地電極とにより形成されるマイクロ波の電界分布を、主要モードに維持することが可能となる。
ワイヤーボンディング１１はいずれか一方でも効果を有するが、分岐した信号電極５−１，５−２に対応して、各々に配置するほうがより高い効果が期待できる。
図９に示した構成は、先に述べたインピーダンス整合線路の構成を組合せることで、より一層の半波長電圧Ｖπなどの駆動電圧の低減化を図ることが可能となる。
【００４９】
本発明は、上述した内容に限定されるものではなく、当該技術分野で公知の技術を付加したものや、また、分岐後の信号電極の一部に遅延制御回路を有する光変調器についても、先の出願（特願２００２−２７４５５号）で述べたような、各種の改善を施したものを含むことは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、分岐した信号電極を有する光変調器において、分岐部におけるマイクロ波の反射を抑制し、また、信号電極と接地電極の形成する電界を適正に維持することが可能となるため、高周波の入力信号においても、半波長電圧Ｖπなどの駆動電圧の上昇を抑制し、周波数特性も向上させた、優れた光変調器を提供することができる。
また、
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のデュアル電極型光変調器の平面図。
【図２】 先の出願に示した遅延制御回路を有する光変調器の平面図。
【図３】 分岐した信号電極の応用例を示す図
【図４】 信号電極の分岐部における従来の構造を示す図。
【図５】 信号電極上を伝播するマイクロ波の主要モード（ａ）、寄生モード（ｂ）の電気力線を示す図。
【図６】 基板の誘電率を変化させた状態を示す光変調器の断面図であり、（ａ）は基板下部全面を、（ｂ），（ｃ）は基板下部の一部を低誘電率材料で置き換えたものを示す。
【図７】 インピーダンス整合線路を設けた信号電極の構造を示す図。
【図８】 インピーダンス整合線路として多段λ／４変成器（ａ）、テーパー線路変成器（ｂ）の例を示す図。
【図９】 ワイヤーボンディングによる接地電極間の接続構造を示す図。
【図１０】 信号電極と接続電極との形状をＣＰＷからＣＰＳへ変更する場合の光変調器の平面図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 光導波路
２’ 分岐導波路
３ 信号電極
４ 接地電極
５ 信号電極
５−１，５−２ 分岐した信号電極
５’ 遅延回路
１０ インピーダンス整合線路
１１ ワイヤーボンディング
Claims (13)
- 電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、
該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成すると共に、
該分岐前の信号電極に係るインピーダンスと該分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスとを、一致させることを特徴とする光変調器。 - 請求項１に記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極の厚みを、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする光変調器。
- 請求項１又は２に記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極と該接地電極との間隔を、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする光変調器。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該分岐の前では信号電極の両側に接地電極を配置し、該分岐の後では信号電極の片側に接地電極を配置することを特徴とする光変調器。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンスを一致させるために、該信号電極の近傍の基板の誘電率を、該分岐の前後で異なるように構成することを特徴とする光変調器。
- 請求項５に記載の光変調器において、該基板の誘電率は、基板の厚みを調整して変化させることを特徴とする光変調器。
- 電気光学効果を有する材料からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内を通過する光を変調するための信号電極と接地電極とを有する光変調器において、
該信号電極の少なくとも１本を複数に分岐すると共に、分岐した信号電極の一部に遅延制御回路を介在させ、該分岐導波路の一部に所定位相の遅延した信号電界が印加されるように構成すると共に、
該分岐前の信号電極と該分岐後の複数の信号電極との間に、インピーダンス整合線路を形成することを特徴とする光変調器。 - 請求項７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、該分岐前の信号電極に係るインピーダンスと該分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスとの間のインピーダンス値を有することを特徴とする光変調器。
- 請求項７又は８に記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路のインピーダンス値Ｚ０１は、次式で表示されることを特徴とする光変調器。
Ｚ０１＝（Ｚ０×ＺＢ）１／２
ただし、Ｚ０は分岐前の信号電極に係るインピーダンス、ＺＢは分岐後の複数の信号電極に係る合成インピーダンスを表す。 - 請求項７乃至９のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路は、該信号電極に入力するマイクロ波の波長λの４分の１の長さを有することを特徴とする光変調器。
- 請求項７乃至１０のいずれかに記載の光変調器において、該インピーダンス整合線路のインピーダンスの設定は、該整合線路の線幅を調整することにより行なうことを特徴とする光変調器。
- 請求項１乃至３、又は５乃至１１のいずれかに記載の光変調器において、該信号電極を挟むように配置された少なくとも１対の接地電極を有し、該信号電極の分岐部において、分岐前の信号電極を挟むと共に分岐後の信号電極を挟む接地電極の一部を構成する接地電極を、該分岐後の信号電極を挟む他の接地電極に接続するための接地電極接続手段を設けたことを特徴とする光変調器。
- 請求項１２に記載の光変調器において、該接地電極接続手段は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする光変調器。
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