JP4587762B2

JP4587762B2 - 光変調素子モジュール

Info

Publication number: JP4587762B2
Application number: JP2004286432A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎; 政貴横澤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006098885A; US20060115226A1; US7570843B2

Description

本発明は、光変調素子モジュールに関し、特に、アナログ光伝送システムに好適に用いることが可能な光変調素子モジュールに関する。

アナログ光伝送システム、特にファイバ内の光分散が問題となる１．５５μｍ帯の光ＣＡＴＶ伝送システムでは、良好な伝送特性を得るために外部変調器を用いた変調方式が用いられている。これらの用途の変調器では、強度変調によって生じる波長チャーピングを防ぐことが重要である。このため、波長チャーピングが生じにくい、ＬｉＮｂＯ_３（以下、ＬＮという）を用いたマッハツェンダー型外部光変調器（以下、ＭＺ型光変調素子という）が多く用いられている。

ＭＺ型光変調素子は、入力された光をＹ分岐やカプラなどの分岐手段と、分岐された各光を伝播する２つの分岐導波路と、そして２つの光を合波するためのＹ分岐やカプラなどの合波手段で構成されるマッハツェンダー型導波路部（以下、ＭＺ型導波路部という）を有する。そして、該分岐導波路に沿って変調電極が配置され、該変調電極には、コネクタなどの変調信号入力部からの変調信号により、分岐導波路内を伝播する光を位相変調する。このように変調電極が形成する電界により分岐導波路内の光が位相変調を受ける領域を作用部という。

各分岐導波路で受ける位相変化をφ１、φ２とすると、φ１＝−φ２の時には、強度変調によるチャーピングが原理的に生じないゼロチャープの変調器を構成できる。ゼロチャープ変調器の例としては、図１に示すようなＸカットのＬＮ基板を用いた対称構造をした変調器、図２に示すようなＺカットの基板を利用し２つの変調電極を有する変調器（以下、デュアル型変調器という）、さらには、図３に示すようなＺカットの基板を利用し、該基板の一部を分極反転した変調器（特許文献１参照）などがあげられる。
特開２００３−２０２５３０号公報

また、アナログ伝送用の変調器では、単一のＭＺ型導波路部の構成ではなく、ファイバの誘導ブリュリアン散乱（ＳＢＳ）防止のために位相変調器を集積化する場合や、ＭＺ型光変調器の伝達関数の線形化のために複数の光変調素子を接続することが多く、それぞれの素子の短尺化やそれにともなう駆動電圧の上昇をできるだけ低減することが重要となる。

図１のＬＮ変調器の概略を説明する。光変調素子３は、ＸカットのＬＮ基板４上に入力用導波路５、分岐用Ｙ分岐導波路、分岐導波路６，７、合波用Ｙ分岐導波路、出力用導波路８からなるＭＺ型導波路が形成されている。さらに、導波路を形成したＬＮ基板４上には、変調電極１２、接地電極１１，１３、及びバイアス用電極１４が形成されている。
図１（ａ）の一点鎖線Ａにおける光変調素子３の断面図を図１（ｂ）に示す。
光変調素子３の変調電極１２の一端は変調信号入力部１５と電気的に接続されると共に、他端はＲＦ終端器１６と接続されている。また、バイアス用電極１４は、バイアス制御用ＤＣ入力部１７と電気的に接続されている。光変調素子３は金属ケース１８内に収容され気密封止されている。
ケース１８の外部に設けられた光入力手段１から光ファイバ２を介して、入力光が光変調素子３に導入され、光変調素子３からの出力光は、光ファイバ９を介して光出力手段１０に導出される。また、光変調素子３を駆動するための変調信号やバイアス制御用のＤＣ信号は、ケース１８の外部から変調信号入力部１５やバイアス制御用ＤＣ入力部１７を介して入力される。

図１のＸカットのＬＮ変調器は、一般に光変調器の変調効率が悪いため、駆動電圧が高くなるという問題がある。特に光変調器を多段にして使用する場合には、各光変調素子の素子長が制限されることから、さらに駆動電圧が高くなり、変調器駆動のための増幅器に高出力のものが要求される。特に位相変調器を集積した場合には、ＸカットのＬＮ変調器の構成上、駆動電圧を低減するのが難しく、位相変調部に多くの作用長をとられ、強度変調部の作用長が制限されるため、より大きな問題となる。また、Ｘ板ＬＮ結晶では、音響光学（ＡＯ）効果による変調特性の周波数応答の劣化が大きく、これを防ぐための処理が必要という問題点もある。

図２のデュアル型変調器の概略を説明する。なお、以下の説明では、既に述べた記載と同様なものについては、同一の符号を用い、一部説明を省略している。光変調素子２０は、ＺカットのＬＮ基板２１上にＭＺ型導波路５〜８が形成されている。さらに、導波路を形成したＬＮ基板２１上には、変調電極２３，２５、接地電極２２，２４，２６、及びバイアス用電極３１が形成されている。
図２（ａ）の一点鎖線Ａにおける光変調素子２０の断面図を図２（ｂ）に示す。
光変調素子２０の変調電極２３，２５には、各変調電極の一端が変調信号入力部２７，２８と各々電気的に接続されると共に、他端はＲＦ終端器２９，３０と各々接続されている。また、バイアス用電極３１は、バイアス制御用ＤＣ入力部１７と電気的に接続されている。光変調素子３は金属ケース１８内に収容され気密封止されている。
光変調素子２０を駆動するための変調信号やバイアス制御用のＤＣ信号は、ケース１８の外部から変調信号入力部２７，２８やバイアス制御用ＤＣ入力部１７を介して入力される。

図２に示すようなＺカットのＬＮ基板を利用するデュアル型変調器は、駆動電圧は低くでき、ＡＯ効果による特性劣化も少ないという利点はあるが、信号入力には相補関係にある２つの変調信号を入力することが必要となる。このため、変調信号入力のための周辺回路には２出力型のドライバが必要となるが、広帯域に渡って特性が良好で安価な２出力型ドライバは単一出力型と比較して高価であり入手が難しい。また一般に最適な変調を得るためには、さらに位相シフタなどの素子が必要となり回路構成や調整が複雑になる点が問題である。

図３の基板の一部を分極反転した変調器の概略を説明する。光変調素子４０は、ＺカットのＬＮ基板２１の一部を分極反転しており、分極反転領域を４８で示す。基板２１上にＭＺ型導波路５〜８が形成され、さらに、導波路を形成したＬＮ基板２１上には、変調電極４２、接地電極４１，４３，４４、及びバイアス用電極４７が形成されている。
図３（ａ）の一点鎖線Ａにおける光変調素子４０の断面図を図３（ｂ）に示す。
光変調素子４０の変調電極４２には、変調電極の一端が変調信号入力部１５と電気的に接続されると共に、他端はＲＦ終端器４５，４６と各々接続されている。また、バイアス用電極４７は、バイアス制御用ＤＣ入力部１７と電気的に接続されている。光変調素子３は金属ケース１８内に収容され気密封止されている。
光変調素子２０を駆動するための変調信号やバイアス制御用のＤＣ信号は、ケース１８の外部から変調信号入力部１５やバイアス制御用ＤＣ入力部１７を介して入力される。

図３のようなＺカットの基板を利用し、該基板の一部で結晶の分極方向を反転させることにより、ゼロチャープ変調器を構成することが可能である。この方法は、一般に変調器外部とのインピーダンス整合のために分岐後の作用部の線路インピーダンスは入力インピーダンスの２倍の高インピーダンスの線路構成とする必要がある。例えば、入力インピーダンスが５０Ωの場合には、線路インピーダンスは、各々１００Ωとなる。特に、ＬＮ変調器で多く用いられるコプレーナ線路（ＣＰＷ）では、ＬＮ基板の誘電率の問題から高インピーダンスや電気信号と光波の速度整合、高変調効率化など同時に満たすのが難しい。

本発明は、上述した問題を解決し、低駆動電圧かつ低チャープなアナログ伝送用光変調を可能とする光変調素子モジュールを提供することである。

請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する基板上に、２つの分岐導波路を有するマッハツェンダー型導波路部を形成し、各分岐導波路に変調信号を印加するための２つの変調電極を有するマッハツェンダー型光変調素子と、該光変調素子に光波を入出力する光入出力部と、該変調電極に変調信号を入力するための変調信号入力部とを同一のケース内に収容・配置した光変調素子モジュールにおいて、２つの該変調電極に対する該変調信号入力部を１つの端子で形成し、該変調信号入力部からの変調信号を２つに分配し各変調電極に印加するトランス分岐部を有すると共に、アナログ伝送用光変調を可能とすることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該トランス分岐部は、出力ポートの電力分岐比が１：１であり、かつ分岐された各信号の位相差が１８０°であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該マッハツェンダー型光変調素子の一方の分岐導波路が形成された領域は基板の結晶軸が分極反転されており、該トランス分岐部は、出力ポートの電力分岐比が１：１であり、かつ分岐された各信号の位相差が０°であることを特徴とする。

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素子モジュールにおいて、該トランス分岐部は、入力インピーダンスが、該変調信号入力部のインピーダンスと整合しており、出力インピーダンスが各変調電極の線路インピーダンスと５０Ω以下のインピーダンス値で整合していることを特徴とする。

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素子モジュールにおいて、該マッハツェンダー型光変調素子の基板が、ＺカットのＬｉＮｂＯ_３基板であることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該トランス分岐部は、伝送線路型トランスを用いることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、２つの該変調電極に対する変調信号入力部を１つの端子で形成し、トランス分岐部により該変調信号入力部からの変調信号を２つに分配し各変調電極に印加するため、単一の変調電極を有する光変調器と同様に、変調信号を入力する端子が一つで済み、光変調素子の取扱いが簡便なものとなる。しかも、光変調素子は、２つの変調電極で駆動されるため、駆動電圧が低減され変調効率を高めることが可能となる。

請求項２に係る発明により、トランス分岐部は、出力ポートの電力分岐比が１：１であり、かつ分岐された各信号の位相差が１８０°である（以下、逆位相型トランス分岐部という）ため、２つの変調電極に振幅が等しく位相関係が１８０°異なる変調信号を印加することが可能となるため、単一の変調信号を入力するにもかかわらず、デュアル型変調器と同様の低チャープで低駆動電圧な光変調器を実現することが可能となる。

請求項３に係る発明により、マッハツェンダー型光変調素子の一方の分岐導波路が形成された領域は基板の結晶軸が分極反転されており、トランス分岐部は、出力ポートの電力分岐比が１：１であり、かつ分岐された各信号の位相差が０°である（以下、同位相型トランス分岐部という）ため、請求項２のものと同様に、低チャープで低駆動電圧な光変調器を実現することが可能となると共に、同位相型トランス分岐部は、逆位相型トランス分岐部より、広帯域の部品が入手し易く、光変調器の周波数応答特性をより広帯域化することも可能となる。

請求項４に係る発明により、トランス分岐部は、入力インピーダンスが変調信号入力部のインピーダンスと整合しており、出力インピーダンスが各変調電極の線路インピーダンスと５０Ω以下のインピーダンス値で整合している。このため、各インピーダンス整合により、線路の接続間における変調信号の反射を抑制し、高周波特性の良好な光変調器を提供することが可能となる。また、光変調素子の変調電極に係る線路インピーダンスを５０Ω以下とすることにより、従来のデュアル型変調器の設計を利用することが可能となる。さらに、変調電極の線路インピーダンスを減少させることにより、光変調素子の変調電極と接地電極との間隔を狭く設定することも可能となり、導波路に印加される電界密度を上昇させ、高効率な変調を実現することも可能となる。これにより、該線路インピーダンスを、より低い値にし、トランス分岐部と変調電極とのインピーダンス整合をとることで、光変調素子の駆動電圧を一層低減することができる。

請求項５に係る発明により、マッハツェンダー型光変調素子の基板が、ＺカットのＬｉＮｂＯ_３基板であるため、Ｘカットの基板やＬｉＮｂＯ_３以外の基板を用いた場合より、より変調効率が高く動作特性が安定した光変調器を提供することが可能となる。

請求項６に係る発明により、トランス分岐部が伝送線路型トランスを用いるため、低損失で広帯域な高周波信号の分岐が可能となる。例えば、光ＣＡＴＶ伝送で要求される数十Ｍ〜１ＧＨｚ程度の帯域を持つ光変調器を提供できる。

本発明に係る光変調素子モジュールについて、以下で詳細に説明する。
図４は、本発明に係る光変調素子モジュールの概略を示すブロック図である。
図４に示すように、変調のための変調信号を入力するための変調信号入力部５６、変調信号を２分配するためのトランス分岐部５７、電気光学効果を利用したマッハツェンダー型の光変調素子５０、光ファイバなどの光入出力部を一体化し、金属ケース５１内に、単一パッケージとして収めたことを特徴とする。

変調信号入力部５６に入力された変調信号は、変調器内のトランス型の分岐素子であるトランス分岐部５７により２分配され、光変調素子５０の変調電極にそれぞれ給電される。一方、レーザなど光入力手段１から出力された光は、ファイバなどの光入力部を介して、光の分波部５２、合波部５５と２つの分岐導波路からなるＭＺ型の光変調器基板に入力され、光変調光はファイバなどの光出力部を介して変調器外部の光出力手段１０へ出力される。変調電極により分岐導波路中の光波を位相変調する部分を、光変調素子の位相変調部といい、図４の５３，５４は位相変調部を示す。

トランス分岐部５７での変調信号の分配比・位相差は、光変調素子の位相変調部５３，５４で変調される光に関して、光の位相変化量の絶対値が等しくかつ符号が反転するように設定する。以上のような構成により、本発明の光変調素子モジュールは、使用上は図１のような単一電極型の変調器と同等の簡便さで使用でき、かつ変調器の駆動電圧は変調効率のよい図２のようなデュアル型変調器並に低減することが可能になる。

このとき分岐部のトランスに、伝送線路型トランスを用いれば、低損失で広帯域な高周波信号の分岐が可能となり、光ＣＡＴＶ伝送で要求される数十Ｍ〜１ＧＨｚ程度の帯域をもつ光変調器が提供できる。またトランス分岐部は変調信号の分配だけでなく、信号の位相反転や、入出力のインピーダンス変換も可能なため、それらを組み合わせることでより高性能な光変調器を構成できる。

本発明に係る光変調素子モジュールの実施例を図５に示す。図中では、説明を簡略化するため接地電極を省略している。変調信号分岐回路６４には、入力インピーダンス５０Ω、出力インピーダンス５０Ω、出力信号の位相差が１８０°となる伝送線路トランスを用いる。光変調素子６０は、ＺカットのＬＮ結晶基板６１に、Ｔｉ拡散導波路でＭＺ型導波路部５〜８を構成し、各位相変調部には線路インピーダンス５０Ωの変調電極６１，６２を形成した。

図５中のＭＺ型導波路部は、１入力１出力（以下、１×１のように表現する）のＹ分岐型の合分波部で構成された導波路構成をしているが、方向性結合器や多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラを用いて１×２、２×１、２×２などの多様な入出力導波路構成としても良い。また、トランス分岐部６３から変調電極の位相変調部までの配線は、２つの変調電極６１，６２間で位相や強度などの電気特性に差が生じないように、線路構造や線路長が同じとなるような電極パターンで形成されている。そして、各変調電極の終端部には、ＲＦ終端器６６，６７が接続され、変調信号の反射が防止されている。

位相変調部の変調電極においても、線路構造や作用長（変調電極が形成する電界により分岐導波路内の光が変調作用を受ける長さ）は、変調電極の配線部と同様に、駆動電圧や周波数応答などの電気特性が等しくなるように、各変調電極が設計されている。
また図５中のバイアス用電極６５は、ＭＺ型導波路部を有する光変調素子６０のバイアス点を制御するための、ＤＣ信号を印加するためのものである。これに関しては、バイアス用電極を設けずに、予めＭＺ型導波路部の分岐導波路における光路長差が、所望のバイアス点となるように調整した構造としても良い。

試作した光変調素子モジュールでは、５０ＭＨｚ〜８００ＭＨｚにわたり、電気光周波数応答の変動が１ｄＢ以下、電気反射が−１８ｄＢ以下、また変調器のチャープ量を示す線幅増大係数αの絶対値が０．１以下を示し、ほぼゼロチャープな変調器を得ることができた。

また、本発明に係る他の実施例を図６に示す。
変調信号分岐回路７３には、入力インピーダンス５０Ω、出力インピーダンス５０Ω、出力信号の位相差が０°となる伝送線路トランスを用いた。このような位相差が０°のトランスは、図５のタイプより広帯域のものが入手しやすく、変調器の周波数応答特性をより広帯域化することができる。

図６のＺカットのＬＮ結晶基板６１には、分極反転領域７１が形成されている。また、図５の実施例と同様に、ＬＮ基板６１上に、Ｔｉ拡散導波路でＭＺ型導波路部５〜８を構成し、変調電極６１,６２、不図示の接地電極、及びバイアス用電極７１が形成されている。バイアス用電極は、２つの分岐導波路６，７に電界を発生するよう構成されているが、一方の分岐導波路上のみに形成することも可能である。

図６に示した実施例の場合にも、試作した光変調素子モジュールでは、５０ＭＨｚ〜１ＧＨｚにわたり、電気光周波数応答の変動が１ｄＢ以下、電気反射が−１８ｄＢ以下、また変調器のチャープ量を示す線幅増大係数αの絶対値が０．１以下を示し、ほぼゼロチャープな変調器を得ることができた。

図５及び６の実施例では、トランス分岐部６３，７２は、入力インピーダンスが変調信号入力部のインピーダンスと整合しており、出力インピーダンスが各変調電極の線路インピーダンス５０Ωと整合している。このため、各インピーダンス整合により、線路の接続間における変調信号の反射を抑制し、高周波特性の良好な光変調器を提供することが可能となる。
さらに、変調電極の線路インピーダンスを５０Ωより減少させ、該線路インピーダンスに合わせてトランス分岐部の出力インピーダンスを調整することも可能であり、このようなより低い線路インピーダンスを用いることにより、光変調素子の変調電極と接地電極との間隔を狭く設定することも可能となり、導波路に印加される電界密度を上昇させ、高効率な変調を実現することも可能となる。その結果、光変調素子の駆動電圧を一層低減することができる。

以上のように、本発明に係る光変調素子モジュールにより、低駆動電圧かつ低チャープなアナログ伝送用光変調を可能とする光変調素子モジュールを提供することができる。

従来の単一変調電極を用いた光変調器の概略図である。従来のデュアル型変調器の概略図である。従来の分極反転を用いた光変調器の概略図である。本発明の光変調素子モジュールの概略を示すブロック図である。本発明の光変調素子モジュールの実施例を示す概略図である。本発明の光変調素子モジュールの他の実施例を示す概略図である。

符号の説明

１光入力手段
２，９光ファイバ
５入力用導波路
６，７分岐導波路
８出力用導波路
１０光出力手段
１５，５６変調信号入力部
１７バイアス制御用ＤＣ入力部
５０，６０，７０光変調素子
５１金属ケース
５２光分波部
５３，５４位相変調部
５５光合波部
５７，６３，７２トランス分岐部
６１，６２変調電極
６４，７３変調信号分岐回路
６５，７４バイアス用電極
６６，６７ＲＦ終端器
７１分極反転領域

Claims

電気光学効果を有する基板上に、２つの分岐導波路を有するマッハツェンダー型導波路部を形成し、各分岐導波路に変調信号を印加するための２つの変調電極を有するマッハツェンダー型光変調素子と、該光変調素子に光波を入出力する光入出力部と、該変調電極に変調信号を入力するための変調信号入力部とを同一のケース内に収容・配置した光変調素子モジュールにおいて、
２つの該変調電極に対する該変調信号入力部を１つの端子で形成し、該変調信号入力部からの変調信号を２つに分配し各変調電極に印加するトランス分岐部を有すると共に、
アナログ伝送用光変調を可能とすることを特徴とする光変調素子モジュール。
請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該トランス分岐部は、出力ポートの電力分岐比が１：１であり、かつ分岐された各信号の位相差が１８０°であることを特徴とする光変調素子モジュール。
請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該マッハツェンダー型光変調素子の一方の分岐導波路が形成された領域は基板の結晶軸が分極反転されており、該トランス分岐部は、出力ポートの電力分岐比が１：１であり、かつ分岐された各信号の位相差が０°であることを特徴とする光変調素子モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該トランス分岐部は、入力インピーダンスが、該変調信号入力部のインピーダンスと整合しており、出力インピーダンスが各変調電極の線路インピーダンスと５０Ω以下のインピーダンス値で整合していることを特徴とする光変調素子モジュール。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該マッハツェンダー型光変調素子の基板が、ＺカットのＬｉＮｂＯ_３基板であることを特徴とする光変調素子モジュール。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該トランス分岐部は、伝送線路型トランスを用いることを特徴とする光変調素子モジュール。