JP3975786B2 - 光変調器励振回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器励振回路及び光変調器モジュールに関し、特に、光信号の変調を行う光変調器モジュールに用いる光変調器励振回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットに代表される広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要の増加に伴い、より大容量かつ高機能な光ファイバ通信システムの開発が求められている。こうした大規模なシステムに使用される光通信モジュールの数も、システムの巨大化に伴い、増加の一途をたどっている。そして、これらモジュールの大きさはもちろん、システム全体に占めるコスト・実装負荷は無視できない。従って、光通信モジュール自体の小型化・高機能集積化・低コスト化は極めて重要な課題となっている。システム全体の小型化・部品点数削減を図るには、データの時間多重度を上げて１波長チャンネル当たりの伝送容量を増加させる方式が考えられる。そのため、高速変調に対応した通信用光デバイスの研究開発が活発に行なわれている。
【０００３】
一方、この１チャンネル当たりの伝送速度を増加させるにつれて、光ファイバ伝送路固有の波長分散が長距離伝送後の光波形に与える影響が、無視できないものになる。これは光源デバイスに光強度変調をかける際に、極めて小さいながらも位相変調（または周波数変調）が重畳されてしまうことに起因している。この現象は一般に波長チャーピングと呼ばれ、特に１チャンネルあたり２．５Ｇｂ／ｓを越えるあたりから長距離伝送特性に深刻な影響を及ぼす。このため、２．５Ｇｂ／ｓを越える幹線系光ファイバ通信システムでは、波長チャーピングの小さな外部変調方式が主流となっている。そして、化合物半導体の電界吸収効果を応用した単体光強度変調器（以下、電界吸収型光変調器）やこれをＤＦＢレーザ等の光源素子とモノリシック集積化した光変調器集積化光源の開発が盛んである。現在、１チャンネル当たり２．５Ｇｂ／ｓ〜１０Ｇｂ／ｓの光ファイバ通信システムが既に実用化されている。そして、これを更に１チャンネルあたり４０Ｇｂ／ｓ以上へと高速化するための超高速電界吸収型光変調器やその集積化光源、およびそれらのピグテールモジュールの開発が続けられている。
【０００４】
電界吸収型光変調器や光変調器集積化光源のモジュール化にあたっては、図７に示すような変調信号励振系が広く用いられる。図７は、従来の光変調器励振回路を示す斜視図である。この光変調器励振回路は、光信号１３１の伝搬方向に対して垂直な方向に、光変調器１１１を挟んで、第１のストリップ線路１１２と終端１１４付の第２のストリップ線路１１３とを一直線上に配置している。そして、これらをボンディングワイヤＡ１１５およびボンディングワイヤＢ１１６で中継している。光信号１３１は、光変調器１１１において、第１のストリップ線路１１２から出力された変調信号１３３により光信号１３２に変調される。
【０００５】
これらの構造は、ボンディングワイヤＡ１１５およびボンディングワイヤＢ１１６のインダクタンスを加減することで帯域改善効果を調節できる。しかし、特にミリ波帯に近い高周波域において、これら回路を見込んだ反射Ｓ_１１が著しく増加するという本質的な難点を抱えている。それは、以下（１）〜（２）の理由による。
（１）逆バイアス下で容量性の振舞いをする光変調器１１１のサセプタンスは、直流近傍でゼロ(開放)である。しかし、高域では第１のストリップ線路１１２および第２のストリップ線路１１４の特性アドミッタンスと同程度にまで増加して、低インピーダンス(短絡に近い負荷)へと変化してしまう。
（２）光変調器１１１と第２のストリップ線路１１４間を繋ぐボンディングワイヤＢ１１６のインダクタンスおよび光変調器１１１の光吸収層のキャパシタンスから決まる共振周波数近傍からその高域にわたり、このボンディングワイヤＢ１１６以降を見込んだ負荷が高インピーダンスとなる。そのため、終端が有効に機能しなくなる。
その反射の絶対値は−１０ｄＢ（変調ＲＦ信号入力の１割）を越えてしまう場合もあり、光変調器１１１を見込んだ励振回路を駆動する系の負荷が大きくなる、あるいは変調周波数特性に不要共振の影響が現れる等の問題を招くことが避けられない。
【０００６】
上記問題の回避策としては、反射波を一定レベル以下に減衰させるための固定減衰器をモジュール前段に挿入する方法がもっとも容易と考えられる。しかし、４０Ｇｂ／ｓ帯向けの光変調器モジュールともなると、その駆動回路自体に要求される広帯域化、高出力化を両立させること自体がもともと技術的に難しいことから、実際には駆動回路へ負担を強いるこの回避策は安易に採用できない。
また、単に整合を実現するという目的だけに限って考えれば、ストリップ線路端部を開放（オープン）ないしは短絡（ショート）としたスタブを組み合わせる方法も選択肢の一つである。しかし、スタブ本来の役割は特定周波数での負荷のインピーダンスを補償することが目的であり、光ファイバ通信に要求されるような直流からミリ波までの広帯域にわたる整合を実現するという用途にはもともと適していない。さらに、スタブ形成にあたって、限られた光変調器モジュール内部に必要以上に長いストリップ線路を新たに設けること自体も実装の観点からあまり好ましくない。それ以外にも特に有効な解決策が無いことから、光変調器モジュールや光変調器集積化光源モジュールは、上記の課題を承知の上で強い反射が残ったまま使用されているのが実状である。
【０００７】
関連する技術として、特開２００１−２０９０１７号公報に、光電変換半導体装置の技術が公開されている。この技術の光電変換半導体装置は、半導体素子と、高周波電気信号回路と、抵抗性整合回路と、容量性整合回路とを備える。半導体素子は、光電信号変換を行なう。高周波電気信号回路は、上記半導体素子に近接する端部を有し、この端部であって上記半導体素子が有する電気信号端子に最も近接する部位を接続点とし、導電体を介して上記電気信号端子に接続されている。抵抗性整合回路は、導電体を介して一端が半導体素子の上記電気信号端子と接続され、他の一端が接地されている。容量性整合回路は、高周波電気信号回路の端部の上記接続点に接続され、上記接続点から見た半導体素子側のインピーダンスが上記抵抗性整合回路の規格化インピーダンスとなるように定められたインピーダンスを有する。
この技術は、広帯域でインピーダンス整合を行ない、光電変換周波数の高い光電変換半導体装置を得ることを目的としている。
【０００８】
また、特開２００１−１５４１６１号公報に、半導体装置の技術が公開されている。この技術の半導体装置は、半導体素子と、ショート回路とを備える。半導体素子は、所定の周波数の高周波光信号の入力によりフォトキャリアが発生する半導体層と、そのフォトキャリアを高周波電力として出力する出力電極とを備える。ショート回路は、上記出力電極に接続され上記出力電極から出力される上記周波数の高周波電力に対して上記出力電極を接地状態とする。
この技術は、光半導体素子内に発生したフォトキャリアを速やかに高周波的に光半導体素子外部に逃がすことを目的としている。
【０００９】
また、特開２０００−１９４７３号公報に、光変調器モジュールの実装構造の技術が公開されている。この技術の光変調器モジュールの実装構造は、光素子と、キャリアと、光ファイバと、高周波端子と、電子冷却素子と、誘電体基板と、パッケージとからなる。キャリアは、導電性を有し上記光素子を搭載する。光ファイバは、光信号の入出力用である。高周波端子は、高周波電気信号を供給する。電子冷却素子は、光素子を恒温にする。誘電体基板は、マイクロストリップラインが形成されている。パッケージは、上記各構成部材を保持する。そして、パッケージは、高周波端子と、グランド付コプレーナ伝送線路を有する。ここで、誘電体基板は、キャリアに搭載されており、また、上記高周波端子側のキャリア端においてキャリア表面が露出している。そのキャリア露出部とそのグランド付コプレーナ伝送線路のグランド領域と、マイクロストリップラインと、グランド付コプレーナ伝送線路の信号領域とがそれぞれワイヤにより接合されている。
この技術は、伝送線路の形成スペースが小さいマイクロストリップラインを用いるためのＧＮＤ接続構造を提供することを目的としている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、超高速光ファイバ通信用途向けの高速光変調器へ変調ＲＦ信号を励振する光変調器励振回路において、特に変調ＲＦ信号の最高周波数がミリ波帯に及ぶような高周波域においても、反射の急増を抑制することが可能な光変調器励振回路を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、変調周波数帯域を損なわずに上記反射の急増の抑制を達成することが可能な光変調器励振回路を提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、回路素子／部品や製造方法の変更をほとんど必要とせずに、上記反射の急増を抑制できる光変調器励振回路を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、光変調器およびその集積デバイスを納めた光変調器モジュールの広帯域化、低電圧駆動、低コスト化、量産性向上を実現するための、最も有効かつ現実的な手段としての光変調器励振回路を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１５】
上記課題を解決するための本発明の光変調器励振回路は、光変調器（１；１１）と、第１のストリップ線路（２；１２）と、第２のストリップ線路（４；１４）とを具備する。光変調器（１；１１）は、光を変調して出力する。第１のストリップ線路（２；１２）は、光変調器（１；１１）に電気的に接続され、光変調器（１；１１）へ変調ＲＦ信号（３３）を出力し、第１の電気素子（３；１３-１）を含み、第１の特性インピーダンス（Ｚ_０１）を有する。第２のストリップ線路（４；１４）は、光変調器（１；１１）を中継して第１のストリップ線路（２；１２）に電気的に接続され、第２の電気素子（５、６；１５−１、１６−１）を含み、第２の特性インピーダンス（Ｚ_０２）を有する。ただし、第１のインピーダンス（Ｚ_０１）は、変調ＲＦ信号（３３）の第１のストリップ線路（２；１２）への入力経路の特性インピーダンス（Ｚ_０）に等しい。また、第１の電気素子（３；１３−１）と第２の電気素子（５、６；１５−１、１６−１）との並列合成インピーダンスは、その入力経路の特性インピーダンス（Ｚ_０）に等しい。
【００１６】
本発明の光変調器励振回路は、第２の電気素子（５、６；１５−１、１６−１）が、少なくとも２つの電気素子（５、６；１５−１、１６−１）を含み；第２のストリップ線路（４；１４）上の長手軸方向の互いに異なる位置に配置されている。
【００１７】
本発明の光変調器励振回路は、第２の電気素子（５、６；１５−１、１６−１）の少なくとも２つの電気素子（５、６；１５−１、１６−１）の各々が、第２のストリップ線路（４；１４）の両端に配設されている。
【００１８】
本発明の光変調器励振回路は、第１の電気素子（３；１３−１）および第２の電気素子（５、６；１５−１、１６−１）の少なくとも１つが、抵抗である。
【００１９】
本発明の光変調器励振回路は、その抵抗が、第２のストリップ線路（４；１４）上の導体上に形成された薄膜抵抗体である。
【００２０】
本発明の光変調器励振回路は、第２のストリップ線路（４；１４）の電気長が変調ＲＦ信号（３３）の最高周波数（ｆ_ｍ）に対して１／４波長以下である。
【００２１】
本発明の光変調器励振回路は、第２の特性インピーダンス（Ｚ_０２）が、第１の特性インピーダンス（Ｚ_０１）と異なる。
【００２２】
本発明の光変調器励振回路は、第１の電気素子（３；１３−１）のインピーダンス（Ｚ_Ｌ１）が、第１の特性インピーダンス（Ｚ_０１）と異なる。
【００２３】
上記課題を解決するための本発明の光変調器モジュールは、高周波入力部（２２）と、光入力部（２４−１、２１−１）と、光変調器励振回路（２７）と、光出力部（２１−２、２４−２）とを具備する。高周波入力部（２２）は、光信号を変調する変調ＲＦ信号（３３）を受信する。光入力部（２４−１、２１−１）は、第１の光信号（３１）を受信する。光変調器励振回路（２７）は、高周波入力部（２２）と電気的に接続し、光入力部（２４−１、２１−１）と光学的に接続し、変調ＲＦ信号（３３）に基づいて、第１の光信号（３１）を第２の光信号（３２）に変調する、上記各項のいずれか一項に記載している。光出力部（２１−２、２４−２）は、光変調器励振回路（２７）と光学的に接続し、第２の光信号（３２）を外部へ出力する。
【００２４】
本発明の光変調器モジュールは、光入力部（２４−１、２１−１）が、光信号を入出力可能な光入力端子（２４−１）と、第１のレンズ（２１−１）とを具備する。そして、光入力端子（２４−１、２１−１）は、第１の光ファイバ（２６−１）に接続され、第１の光ファイバ（２６−１）を介して第１の光信号（３１）を受信して、第１のレンズ（２１−１）へ出力する。第１のレンズ（２１−１）は、第１の光信号（３１）を受信して、光変調器励振回路（２７）へ出力する。
【００２５】
本発明の光変調器モジュールは、光出力部（２１−２、２４−２）が、第２のレンズ（２１−２）と、光信号を入出力可能な光出力端子（２４−２）とを具備する。第２のレンズ（２１−２）は、第２の光信号（３２）を受信して、光出力端子（２４−２）へ出力する。光出力端子（２４−２）は、第２の光ファイバ（２６−２）に接続され、第２のレンズ（２１−２）を介して第２の光信号（３２）を受信して、第２の光ファイバ（２６−２）へ出力する。
【００２６】
本発明の光変調器励振回路は、光変調器向けの広帯域かつ低反射特性に優れた変調ＲＦ信号励振回路を有する。
すなわち、光変調器およびこれを集積化した集積光素子が実装された光変調器モジュールにおいて、ストリップ線路を最適設計することにより、光変調器の示す容量性負荷としての振舞いを可能な限り整合して抑える。そして、変調周波数帯域への影響を最小限にとどめたまま、この光変調器励振回路全体を見込んだ反射を必要なレベル以下に抑制することを可能とするものである。
【００２７】
具体的には、既存光変調器モジュール内の終端抵抗を変調ＲＦ信号励振系内に分散配置する。それにより、この励振回路を見込んだ反射特性を実用上無視できる程度に小さな値に抑えることが可能になる。その際、別途新たな回路素子／部品を用意することなく、従来の製造装置／工程によるモジュール組立作業をそのまま利用可能である。
【００２８】
本発明のコンセプトである分布終端構造励振系をより具体的に説明すると、次のようにまとめることができる。
（１）光変調器素子のサセプタンスを、これと逆符号を持つ別の負荷で整合する。
（２）整合に用いる負荷として、第２のストリップ線路両端に、終端抵抗を設ける。整合回路は、両端に終端抵抗を設けた第２のストリップ線路を光変調器素子に並列に接続して構成する。
【００２９】
第２のストリップ線路両端に終端抵抗を設ける構造は、従来に無い新しい発想の両端終端スタブである。ここで、従来広く用いられているマイクロ波／ミリ波帯の整合回路としての開放スタブ、短絡スタブを用いない理由は、それらのインピーダンスが周波数とともに極端に変化してしまうため、容量性負荷として振る舞う光変調器素子のインピーダンス整合には適さないからである。
本発明の構造を用い、第２のストリップ線路の特性インピーダンスと終端抵抗との比を変えることで、必要とされる整合回路のインピーダンスの上限および下限を独立に最適化することが初めて可能となる。また、ストリップ線路両端に設けられた終端は、励振回路内にできる線路不連続部間の不要な多重反射を抑えるダンピング抵抗としての役割も担っており、不要な反射波を速やかに減衰させることで変調周波数特性に現れやすい不要共振の影響等を効果的に抑える働きも期待できる。
【００３０】
（３）第２のストリップ線路の長さを、入力変調ＲＦ信号の周波数（波長λ）に対して、λ／４以下とする。
【００３１】
整合帯域は、第２のストリップ線路の長さでほぼ決定することができる。ここで、そのアドミッタンスをテーラー展開した場合、入力変調ＲＦ信号の波長λに対する１次近似が概ね成り立つλ／４以下の長さの第２のストリップ線路を考える。そのとき、第２のストリップ線路と終端抵抗とは、周波数に比例してアドミッタンスが減る（インピーダンスが増加する）傾向を示す整合回路に見立てることができる。
この振舞いは、光変調器素子のような周波数依存性が単調（インピーダンスが減少する）な容量性負荷のそれをちょうど打ち消す傾向にあり、（１）が要請する条件を満たすことから、広帯域化を図るうえで非常に都合が良い。
【００３２】
（４）第１のストリップ線路と第２のストリップ線路とに分散配置された終端の並列合成抵抗を、変調ＲＦ信号の入力線路の特性インピーダンスと一致させる。
直流に近い低周波帯では、光変調器素子自身のインピーダンスはほぼ無限大（開放）であり、光変調器励振回路を見込んだ負荷は分散配置された終端の並列合成抵抗にほぼ等しくなる。よって、この値が変調ＲＦ信号の入力線路の特性インピーダンスと一致するように第１および第２のストリップ線路の終端を選ぶことにより、光変調器励振回路を見込んだ反射を実用上支障が無い程度に抑えることが可能となる。
【００３３】
通常、整合を取りたい素子のインピーダンスの周波数依存性に対して、整合回路の回路素子パラメータを最適化するのは容易でない。しかし、本発明による分布終端構造の光変調器励振回路では、上記（３）の特徴から、第２のストリップ線路長を調節することにより整合回路としての周波数依存性を、また上記（２）の特徴から、第２のストリップ線路の特性インピーダンスとその両端に設けた抵抗の比を調節することにより整合回路が示すインピーダンスの絶対値の上限と下限を、それぞれほぼ独立に最適化することが可能である。
【００３４】
すなわち、整合回路は、変調ＲＦ信号の周波数に比例してアドミッタンスが減る（インピーダンスが増加する）傾向を示すので、その周波数の整合範囲（帯域）の増減の範囲や増減割合は、第２のストリップ線路の長さを調整することで制御可能である。
また、整合回路が示すインピーダンスの絶対値の上限は、第２のストリップ線路の特性インピーダンスとその両端に設けた抵抗の比を調節することにより制御が可能である。
整合回路が示すインピーダンスの絶対値の下限は、第２のストリップ線路の特性インピーダンスとその両端に設けた抵抗の比を調節することにより制御が可能である。
そして、それらはそれぞれほぼ独立に最適化することが可能である。
【００３５】
本発明を用いることにより、光変調器およびその集積素子の光変調器モジュールを高速変調するうえで従来問題となっていた高周波域での反射急増を効果的に抑えることが可能となり、光ファイバ通信システムに必要とされる直流からミリ波帯までの広帯域にわたる低反射化が実現可能となる。これにより、上記光変調器モジュールを駆動する回路の負担が軽減されると同時に不要共振に起因する変調信号への悪影響を軽減することが可能となる。
一方、本発明を適用しても変調周波数帯域は劣化せず、理想的な広帯域・低反射変調特性を満足することができる。また、本構造を実現するにあたっては、従来の光変調器励振回路のストリップ線路に単に薄膜抵抗を付加するのみの必要最小限の変更で済むため、薄膜抵抗体のマスクパターンを部分修正する以外、全く同一の工程、製造設備をそのまま流用することが可能である。このため、上記モジュールの高性能化を図るうえで新たなコストが発生しないことから、高機能化・生産性向上・低コスト化が期待できる。これらの結果、次世代通信ネットワークの構築に向けた幹線系光ファイバ通信システムの高速化・高機能化への道が拓かれる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である光変調器励振回路および光変調器モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
先ず、本発明である光変調器励振回路の実施の形態の構成について説明する。
図１は、本発明である光変調器励振回路の実施の形態の構成を説明する斜視図である。光変調器励振回路は、光変調器１、第１のストリップ線路２、第１の終端３、第２のストリップ線路４、第２の終端５、第３の終端６、ボンディングワイヤＡ８及びボンディングワイヤＢ９を具備する。
【００３７】
光変調器１は、変調ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号３３（電界）に基づいて、受信した光信号３１における光の強度、周波数および位相を変調し、変調信号光としての光信号３２を出力する。
第１のストリップ線路２（特性インピーダンスＺ_０１、実効屈折率ｎ_ｍ１）と第２のストリップ線路４（特性インピーダンスＺ_０２、実効屈折率ｎ_ｍ２）は、光変調器１を挟んで光変調器１の光軸に垂直な方向に一直線上に配置されている。これら第１のストリップ線路２および第２のストリップ線路４は、光変調器１を中継するようにボンディングワイヤＡ８およびボンディングワイヤＢ９で互いに電気的に接続されている。
【００３８】
第１のストリップ線路２は、光変調器１を通過する光信号３１を変調するために使用する変調ＲＦ信号３３で励振される。そして、その変調ＲＦ信号３３をボンディングワイヤＡ８経由で光変調器１へ出力する。第１のストリップ線路２の特性インピーダンスＺ_０１は、変調ＲＦ信号３３を出力する線路の特性インピーダンスＺ_０に等しい。
【００３９】
第２のストリップ線路４は、光変調器１（−ボンディングワイヤＢ９）を経由した変調ＲＦ信号３３で励振される。第２のストリップ線路４の特性インピーダンスＺ_０２は、第１のストリップ線路の特性インピーダンスＺ_０１と異なることが望ましい。第２のストリップ線路４での変調ＲＦ信号の反射を残すようにするためである。反射を残すことにより、第１の終端３、第２の終端５および第３の終端６の効果を引き出すことが出来る。
ここで、本光変調器モジュールが想定する変調ＲＦ信号３３の最高使用周波数ｆ_ｍに対し、第２のストリップ線路４の長さはｃ_０／（４ｆ_ｍｎ_ｍ２）以下になっている。ただし、ｎ_ｍ２は、第２のストリップ線路４の屈折率、ｃ_０は光速である。これは、第２のストリップ線路の電気長が変調ＲＦ信号の最高使用周波数ｆ_ｍに対して１／４波長以下ということである。その理由は既述の通りである。
【００４０】
第１の終端３は、第１のストリップ線路２上の光変調器１側端部近傍にあり、インピーダンスがＺ_Ｌ１の電気素子である。インピーダンスＺ_Ｌ１は、特性インピーダンスＺ_０１と異なることが好ましい。第１の終端３は、第１のストリップ線路２上の光変調器１側端部にあることが好ましい。本実施例では、第１のストリップ線路２の導体の光変調器１側端部に形成された薄膜抵抗体である。
第２の終端５および第３の終端６は、それぞれ第２のストリップ線路４上の長手軸方向の互いに異なる位置にあり、インピーダンスがそれぞれＺ_Ｌ２、Ｚ_Ｌ３の電気素子である。第２の終端５および第３の終端６は、第２のストリップ線路４の両端部にあることが好ましい。本実施例では、第２のストリップ線路４の両端部にある薄膜抵抗体である。
ここで、３つの終端（第１の終端３、第２の終端５および第３の終端６）の並列合成抵抗値（インピーダンス）は、特性インピーダンスＺ_０に一致するように設定されている。
さらに、３つの終端にボンディングワイヤＡ８およびボンディングワイヤＢ９を含めた合成抵抗値が、特性インピーダンスＺ_０に一致することがより望ましい。ただし、変調ＲＦ信号３３が直流に近い低周波の場合、ボンディングワイヤＡ８およびボンディングワイヤＢ９のインピーダンスは無視できる
【００４１】
ボンディングワイヤＡ８は、第１のストリップ線路２と光変調器１とを電気的に接続している。
ボンディングワイヤＢ９は、第２のストリップ線路２と光変調器１とを電気的に接続している。
そして、光変換器１上で、ボンディングワイヤＡ８とボンディングワイヤＢ９とが接続している。
【００４２】
次に、本発明である光変調器励振回路を適用した光変調器モジュールの実施の形態の構成について、図２を参照して説明する。
光変調器モジュール２０は、キャリア７、レンズ部２１（−１〜２）、高周波コネクタ２２、パッケージ２３、光入出力端子２４（−１〜２）、温度センサ２５、光変調器励振回路２７および放熱部２８を具備する。
【００４３】
光変調器励振回路２７は、図１に示すような光変調器１、第１のストリップ線路２、第１の終端３、第２のストリップ線路４、第２の終端５、第３の終端６、ボンディングワイヤＡ８およびボンディングワイヤＢ９を備える光変調器励振回路である。各構成は、既述のとおりなのでその説明を省略する。
キャリア７は、光変調器励振回路２７、レンズ部２１（−１〜２）および温度センサ２５を、光変調器モジュール２０内において、然るべき位置関係を有するように設置する金属製の基台である。
レンズ部２１（−１〜２）は、レンズとレンズホルダーとを含む。レンズホルダ内のレンズは、（光変調器励振回路２７内の）光変調器１の光導波路と、光ファイバ２６（−１〜２）のコアとを結ぶ光軸上に配設される。レンズ部２１（−１〜２）と光変調器１との距離は、レンズの焦点が、光変調器１の光入出力端面（光導波路の端面）上に合うように調整されている。
高周波コネクタ２２は、変調ＲＦ信号の線路（図示せず）と光変調器モジュール２０とを電気的に接続している。そして、その線路により伝送される変調ＲＦ信号３３を光変調器モジュール２０（の第１のストリップ線路２）へ出力する。
パッケージ３３は、光変調器モジュール２０のケーシングである。
光入出力端子２４（−１〜２）は、光ファイバ２６（−１〜２）と光変調器モジュール２０とを光学的に接合する。そして、光ファイバ２６（−１）により伝送される光信号３１を光変調器モジュール２０（のレンズ部２１（−１））へ出力し、また、光変調器モジュール２０（のレンズ部３１（−２））から出力される光信号３２を光ファイバ２６（−２）へ供給する。
温度センサ２５は、光変調記励振回路２７近傍の温度を計測する。
放熱部２８は、光変調器モジュール２０内部で発生する熱を放熱する。
【００４４】
次に、本発明である光変調器励振回路の実施の形態の動作について、図１および図２を参照して説明する。
変調ＲＦ信号の線路を伝送された変調ＲＦ信号３３は、高周波コネクタ２２を介して光変調器モジュール２０の光変調器励振回路２７の第１のストリップ線路２へ出力される。そして、第１のストリップ線路２の入力端から励振された変調ＲＦ信号３３は、第１のストリップ線路２からボンディングワイヤＡ８を介して光変調器１へ出力される。
一方、光ファイバ２６−１を伝送された光信号３１は、一方の側の光入出力端子２４−１より光変調器モジュール２０へ出力される。光信号３１は、レンズ部２１−１で受光され、そのレンズにより光変調器１の光導波路の一端部に集光される。そして、光変調器１の光導波路内を、その他端部へ向けて伝送される。
光信号３１は、その光導波路内での伝送途中で、ボンディングワイヤＡ８を介して入力された変調ＲＦ信号３３により変調され、変調された光信号である光信号３２となる。光信号３２は、光導波路の他端部から放射され、レンズ部２１−２で受光される。そして、そのレンズにより、光入出力端子２４−２の端部に集光され、そこで光ファイバ２６−２へ出力される。
光信号３１の変調を行った後、変調ＲＦ信号３３は、光変調器１を経由して第２のストリップ線路４の末端まで伝搬する。
【００４５】
変調ＲＦ信号３３が直流に近い低周波の場合、光変調器１の素子自身のインピーダンスはほぼ無限大（開放）である。そして、ボンディングワイヤＡ８およびボンディングワイヤＢ９のインピーダンスは無視できるので、変調ＲＦ信号３３の経路から本光変調器励振回路２７を見込んだ入力インピーダンスは、第１の終端３、第２の終端５および第３の終端６の並列合成抵抗値にほぼ等しい。このため、この低周波域では、変調ＲＦ信号の経路の特性インピーダンスが受電端のインピーダンス（並列合成抵抗値＝Ｚ_０）に等しいことから、本光変調器励振回路を見込んだ反射を実用上支障の無い程度に低く抑えられる。
【００４６】
一方、変調ＲＦ信号３３が数ＧＨｚ〜ミリ波帯にわたる高周波の場合、容量性負荷である光変調器１のインピーダンスが急激に減少する。一方、第２のストリップ線路４は、その長さが、アドミッタンスの周波数に対する１次近似が概ね成り立つλ／４以下である。したがって、第２のストリップ線路４は、アドミッタンスが周波数に比例して減少する（＝インピーダンスが周波数の増加と共に増加する）傾向を示す整合回路に見立てることができる。すなわち、光変調器１より後段に配置されたボンディングワイヤＢ９、第２のストリップ線路４、第２の終端５および第３の終端６の合成インピーダンスは、この光変調器１の振舞い（光変調器１のインピーダンスが急減）を補償（合成インピーダンスが急増）し、光変調器励振回路を見込んだインピーダンスの周波数依存性を打ち消すように働く。
【００４７】
これらにより、直流から最高使用周波数に至る広い帯域にわたって、光変調器励振回路を見込んだ反射を実用上支障の無い程度に抑えることが可能になる。また、従来の整合手段として用いられてきた第１のストリップ線路２にキャパシタを付加する方法を本構造と併用すると、低反射特性のさらなる向上も期待できる。
【００４８】
（実施例１）
次に、上で述べた本発明の光変調器励振回路を電界吸収型光変調器モジュールに適用した実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、電界吸収型光変調器モジュール（光変調器モジュール２０）の構成を示す図である。これらは、既述の説明のとおりであるので、光変調器励振回路２７以外の説明を省略する。
【００４９】
図４は、電界吸収型光変調器モジュールに適用した光変調器励振回路２７の構成を説明する斜視図である。
図４を参照して、電界吸収型光変調器モジュールの光変調器励振回路２７は、光変調器１１、第１のストリップ線路１２、第１の終端１３−１、薄膜１３−２、第２のストリップ線路１４、第２の終端１５−１、薄膜１５−２、第３の終端１６−１、薄膜１６−２、ＡｕリボンワイヤＡ１８及びＡｕリボンワイヤＢ１９を具備する。この内、光変調器１１は、図１の光変調器１に対応している。同様に、第１のストリップ線路１２は第１のストリップ線路２に、第１の終端１３−１は第１の終端３に、第２のストリップ線路１４は第２のストリップ線路４に、第２の終端１５−１は第２の終端５に、第３の終端１６は第３の終端６に、ＡｕリボンワイヤＡ１８はボンディングワイヤＡ８に、ＡｕリボンワイヤＢ１９はボンディングワイヤＢ９にそれぞれ対応している。
【００５０】
第１のストリップ線路１２は、比誘電率９．９５、厚さ２５０μｍ、長さ３．５ｍｍ、幅７００μｍのアルミナ基板１２−２と、その表面に形成された導体１２−１と裏面導体１２−３とを備える特性インピーダンス５０Ωのコプレーナ線路である。長手軸方向の側面には表面導体地板（第１の終端１３−１の下部の導体１２−１）と裏面導体１２−３とを電気的に導通させるメタライズ加工（薄膜１３−２）が施されている。その電界吸収型光変調器１１側端部の導体１２−１上には、シート抵抗１００Ω／□のＴａ_２Ｎの薄膜抵抗でできた第１の終端１３−１（Ｚ_Ｌ１＝１５０Ω）が形成されている。
第２のストリップ線路１４も同様に、比誘電率９．９５、厚さ２５０μｍ、７００μｍのアルミナ基板１４−２と、その表面に形成された導体１４−１と裏面導体１４−３とを備えるコプレーナ線路で、特性インピーダンスは５６Ωである。長手軸方向の両側面には、第１のストリップ線路１２と同様に、それぞれ表面導体地板（第２の終端１５−１および第３の終端１６−１の下部の導体１４−１）と裏面導体１４−３とを電気的に導通させるメタライズ加工（薄膜１５−２および薄膜１６−２）が施されている。その両端の導体１４−１上には、それぞれシート抵抗１００Ω／□のＴａ_２Ｎの薄膜抵抗でできた第２の終端１５−１（Ｚ_Ｌ２＝１５０Ω）および第３の終端１６−１（Ｚ_Ｌ３＝１５０Ω）が形成されている。
【００５１】
これら光変調器１１、第１のストリップ線路１２および第２のストリップ線路１４は、金属製のキャリア７）上に光変調器１１の光軸と垂直な方向に一直線上に配置されている。第１のストリップ線路１２と光変調器１１は１５０ｐＨのインダクタンスを持つボンディングワイヤとしてのＡｕリボンワイヤＡ１８で接続されている。同様に、第２のストリップ線路１４と電界吸収型光変調器１１は１８０ｐＨのインダクタンスを持つボンディングワイヤとしてのＡｕリボンワイヤＢ１９で接続されている。
【００５２】
次に、電界吸収型光変調器モジュールの光変調器１１についてさらに説明する。
図３は、光変調器１１の構成を示す斜視図である。
光変調器１１は、電界吸収型であり、電極Ｂ４１、基板４２、光吸収層４３、クラッド層Ａ４４、コンタクト層Ａ４５、電極Ａ４６、クラッド層Ｂ４７および絶縁層４８を備える。
【００５３】
基板４２は、ＩｎＰ基板を用いている。
クラッド層Ｂ４７は、基板４２上の光吸収層４３を形成する領域以外の場所に積層されたｎ−ＩｎＰ層である。
光吸収層４３は、基板４２上のクラッド層Ｂ４７に挟まれた領域に形成されている。幅２ミクロンで、波長組成１．４９μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造（井戸層数Ｎ_ｗ＝７）である。光導波路として光信号３１を通過させ、光変調を行い、光信号３２として出力する。
クラッド層Ａ４４は、クラッド層Ｂ４７に挟まれて、光吸収層４３の上部表面を覆うように形成されたｐ−ＩｎＰ層である。
コンタクト層Ａ４５は、クラッド層Ｂ４７に挟まれて、クラッド層Ａ４４の上部表面を覆うように形成されたｐ^＋−ＩｎＧａＡｓ層である。
電極Ａ４６は、クラッド層Ｂ４７に挟まれて、コンタクト層Ａ４５の上部表面を覆うように形成されたＣｒ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの５層メタルからなるｐ−電極である。その一部は、絶縁層４８上に延び、ボンディングワイヤＡ８およびボンディングワイヤＡ９が接合される接続部４９を形成する。変調ＲＦ信号４３を印加される。
絶縁層４８は、クラッド層Ｂ４７表面を覆うように形成されている。
電極Ｂ４１は、基板裏面に形成されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層メタルからなるｎ−電極である。
素子長Ｗは３００μｍで、両劈開端面４０には反射率０．１％以下の低反射膜（図示せず）が形成されている。素子容量は逆バイアス電圧−２Ｖ印加時に１２５ｆＦである。
【００５４】
図５は、上記構成の光変調器励振回路２７での変調ＲＦ信号の周波数と信号強度との関係（周波数応答特性）を測定した結果を示すグラフである。横軸は入力された変調ＲＦ信号３３の周波数、縦軸は反射または透過の強度である。実線は、本発明の光変調励振回路２７を用いた場合であり、破線は、従来の光変調励振回路を用いた場合である。
ここでは、電界吸収型の光変調器１１に逆バイアス−２Ｖを印加し、入力された変調ＲＦ信号３３に対する光変調器１１とその励振回路とを見込んだ反射および透過を測定している。反射Ｓ_１１の値を示す曲線（実線）から、変調ＲＦ信号３３が直流から４０ＧＨｚにわたる非常に広い帯域において、反射波は−１５ｄＢ以下と非常に小さな値に抑えられることが判る。
そして、この光変調器励振回路２７の光変調器１１に１５５０ｎｍの信号光を入射したところ、変調周波数帯域（透過Ｓ_２１−３ｄＢ以上）は５０ＧＨｚ以上と、４０ＧＨｚ光ファイバ通信を実現するうえで実用上十分な広帯域光変調特性が得られることが判る。
【００５５】
（実施例２）
次に、上で述べた本発明の光変調器励振回路を電界吸収型光変調器モジュールに適用した他の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、電界吸収型光変調器モジュール（光変調器モジュール２０）の構成を示す図であり、図４は、電界吸収型光変調器モジュールに適用した光変調器励振回路２７の構成を説明する斜視図である。これらは、既述の説明のとおりであるので、その説明を省略する。ただし、キャリア７は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製キャリアである。
【００５６】
実施例１の場合と同様に、電界吸収型の光変調器１１に逆バイアス−２Ｖを印加し、入力された変調ＲＦ信号３３に対する電界吸収型の光変調器１１とその励振回路を見込んだ反射を測定したところ、変調ＲＦ信号３３が直流から４０ＧＨｚにわたる非常に広い帯域において、反射波は−１５ｄＢ以下と非常に小さな値に抑えられた。
そして、この光変調器励振回路２７の光変調器１１に１５５０ｎｍの信号光を入射したところ、変調周波数帯域５０ＧＨｚ以上と、４０ＧＨｚ光ファイバ通信を実現するうえで実用上十分な広帯域光変調特性が得られた。
【００５７】
また、こうした光変調器モジュール２０を実用化するうえでは、製造過程で生じ得る寸法や抵抗値などの変動に対して、これらが変調特性に及ぼす影響を実用上支障が無い程度まで十分小さな値に抑えられるよう、各回路素子パラメータに対するトレランス設計が重要である。
図６は、上記構成の光変調器励振回路２７での変調ＲＦ信号の周波数と信号強度との関係（周波数応答特性）を測定した結果を示すグラフである。横軸は入力された変調ＲＦ信号３３の周波数、縦軸は反射または透過の強度である。各曲線は、変調ＲＦ信号３３の入力線路の特性インピーダンスＺ_０の変化（±５％と仮定）、（合成）終端抵抗値Ｚ_Ｌの変化（±１０％と仮定）および光変調器１１の素子容量Ｃ_ａｂｓの変化（±２５％と仮定）の場合の反射および透過を示す。
【００５８】
図６に示すように、本光変調器励振回路２７において各ストリップ線路の特性インピーダンスが±５％、終端抵抗値が±１０％、光変調器の素子容量が±２５％変化した場合でも、本励振回路を見込んだ反射Ｓ_１１は、−１３ｄＢ以下に抑えられていることが判る。
そして、変調周波数帯域（透過Ｓ_２１−３ｄＢ以上）も３７ＧＨｚ以上と、実用上十分な広帯域・低反射光変調特性が得られることが判明した。
【００５９】
本発明により、特にミリ波帯に近い高周波域において光変調器励振回路を見込んだ反射を実用上支障が無い程度にまで大幅に抑制できると同時に変調特性の広帯域化が可能である。
その理由は、本発明の特徴である終端を励振系に分散配置した構造を採ることにより、光変調器自身の示す容量性の振舞いの周波数依存性、およびその整合回路に必要なインピーダンスの上限と下限をほぼ独立に最適化することが可能だからである。
【００６０】
また、本発明により、光変調器およびその集積光素子からなる光変調器モジュールの駆動回路の負担が軽減され、駆動回路自体も広帯域化・小型低電圧化・低コスト化が図れる。
その理由は、上記第１の効果で述べた理由により、光変調器励振回路を見込んだ反射が非常に広帯域にわたって実用上支障が無い程度にまで抑えられるため、より低い電圧（電流）出力で上記光変調器モジュールを変調動作させることができるからであり、結果として電子回路素子への負荷も軽減されて広帯域化に向けた素子選択／回路設計いずれの自由度も高くなると同時に低消費電力化までも可能だからである。
【００６１】
さらに、本発明により、光変調器またはその集積化素子の光変調器モジュールの低コスト化が実現できる。
その理由は、本構造が従来の光変調器励振回路のストリップ線路に単に薄膜抵抗を付加するのみの必要最小限の変更で実現できるため、薄膜抵抗体のマスクパターンを部分修正する以外、全く同一の工程、製造設備をそのまま流用することが可能になり、上記第１および第２の効果で示した高性能化を図るうえで新たなコストが発生しないからである。
【００６２】
以上説明したように、本発明による光変調器励振回路は、特に幹線系光ファイバ通信システム向けの超高速光変調器およびその集積光素子からなる光変調器モジュールを駆動するうえで深刻な問題であった高周波域における反射急増の問題を、光導波路回路プラットフォームの端面形成工程において信号光の波面整合機能も高精度に一体形成してしまうことにより、別途光学部品を用いることなく大幅に改善する構造を提供するものであり、より小型・高性能・低価格のハイブリッド集積光変調器モジュールを大量かつ安定に提供する道を拓くものである。
【発明の効果】
【００６３】
本発明により、超高速光ファイバ通信用途向けの高速光変調器へ変調ＲＦ信号を励振する光変調器励振回路において、特に変調ＲＦ信号の最高周波数がミリ波帯に及ぶような高周波域においても、低コストにて、反射の急増を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である光変調器励振回路の実施の形態の構成を説明する斜視図である。
【図２】電界吸収型光変調器モジュールを用いた本発明の第１の実施の形態を説明する斜視図である。
【図３】本発明である光変調器励振回路での光変調器の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明である光変調器励振回路の他の実施の形態の構成を説明する斜視図である。
【図５】光変調器励振回路での周波数と反射との関係を測定した結果を示すグラフである。
【図６】光変調器励振回路での周波数と反射との関係を測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来の光変調器励振回路を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 光変調器
２ 第１のストリップ線路
３ 第１の終端
４ 第２のストリップ線路
５ 第２の終端
６ 第３の終端
８ ボンディングワイヤＡ
９ ボンディングワイヤＢ
１１ 光変調器
１２ 第１のストリップ線路
１２−１ 導体
１２−２ 高周波基板
１２−３ 裏面導体
１３−１ 第１の終端
１３−２ 薄膜
１４ 第２のストリップ線路
１４−１ 導体
１４−２ 高周波基板
１４−３ 裏面導体
１５−１ 第２の終端
１５−２ 薄膜
１６−１ 第３の終端
１６−２ 薄膜
１８ ＡｕリボンワイヤＡ
１９ ＡｕリボンワイヤＢ
２０ 光変調器モジュール
２１（−１〜２） レンズ部
２２ 高周波コネクタ
２３ パッケージ
２４（−１〜２） 光入出力端子
２５ 温度センサ
２６（−１〜２） 光ファイバ
２７ 光変調器励振回路
２８ 放熱器
３１ 光信号
３２ 光信号
３３ 変調ＲＦ信号
４１ 電極Ｂ
４２ 基板
４３ 光吸収層
４４ クラッド層Ａ
４５ コンタクト層Ａ
４６ 電極Ａ
４７ クラッド層Ｂ
４８ 絶縁層
４９ 接合部
４０ 反射層
１１１ 光変調器
１１２ 第１のストリップ線路
１１３ 第２のストリップ線路
１１４ 終端
１１５ ボンディングワイヤＡ
１１６ ボンディングワイヤＢ
１３１ 光信号
１３２ 光信号
１３３ 変調ＲＦ信号

Claims (8)

1. 光変調器と、
   第１の特性インピーダンスを有する第１のストリップ線路と、
   第２の特性インピーダンスを有する第２のストリップ線路と、
   前記第１のストリップ線路上に設けられ、前記第１の特性インピーダンスとは異なるインピーダンスを有する抵抗と、
   前記第２のストリップ線路上の長手軸方向の互いに異なる位置に設けられ、前記第２の特性インピーダンスと異なるインピーダンスを有する２つ以上の抵抗と
   を具備し、
   前記第１のストリップ線路と前記第２のストリップ線路は、前記光変調器を中継して電気的に接続されており、
   前記第１の特性インピーダンスは、変調ＲＦ信号入力経路の有する第３の特性インピーダンスに誤差範囲内で等しく、
   前記第２の特性インピーダンスは、前記第３の特性インピーダンスと異なり、
   前記第１のストリップ線路上の前記抵抗および前記第２のストリップ線路上の前記抵抗についての直流における並列合成インピーダンスは、前記第３の特性インピーダンスに誤差範囲内で等しい、
   光変調器励振回路。
2. 前記第２のストリップ線路上の前記抵抗は、前記第２のストリップ線路の両端に配設されている、
   請求項１に記載の光変調器励振回路。
3. 前記第１のストリップ線路上の前記抵抗は、前記第１のストリップ線路の前記光変調器側の端に配設されている
   請求項２に記載の光変調器励振回路。
4. 第２のストリップ線路の電気長が変調ＲＦ信号の最高周波数に対して１／４波長以下である、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器励振回路。
5. 前記第２のストリップ線路上の前記抵抗は、薄膜抵抗体である、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器励振回路。
6. 光信号を変調する変調ＲＦ信号を受信する高周波入力部と、
   第１の光信号を受信する光入力部と、
   前記高周波入力部と電気的に接続し、前記光入力部と光学的に接続し、前記変調ＲＦ信号に基づいて、前記第１の光信号を第２の光信号に変調する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の前記光変調器励振回路と、
   前記光変調器励振回路と光学的に接続し、前記第２の光信号を出力する光出力部と、
   を具備する、
   光変調器モジュール。
7. 前記光入力部は、
   光信号を入出力可能な光入力端子と、
   第１のレンズと、
   を具備し、
   前記光入力端子は、第１の光ファイバに接続され、前記第１の光ファイバを介して前記第１の光信号を受信して、前記第１のレンズへ出力し、
   前記第１のレンズは、前記第１の光信号を受信して、前記光変調器励振回路へ出力する、
   請求項６に記載の光変調器モジュール。
8. 前記光出力部は、
   第２のレンズと、
   光信号を入出力可能な光出力端子と、
   を具備し、
   前記第２のレンズは、前記第２の光信号を受信して、前記光出力端子へ出力し、
   前記光出力端子は、第２の光ファイバに接続され、前記第２のレンズを介して前記第２の光信号を受信して、前記第２の光ファイバへ出力する、
   請求項６又は７に記載の光変調器モジュール。

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