JP4698888B2 - 光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法に関し、特に差動で駆動する光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は、従来の電界吸収型(Electro Absorption : EA)変調器の構造を示す。EA変調器は、pn接合からなる光導波路に電界を印加すると光を吸収する電界吸収効果(electroabsorption effetct)を利用したものであり、応答速度が高速であるため光通信用の光変調器として用いられている。
【0003】
図9において、符号1はInp基板、6はInp基板1上に設けられた透明導波路、25は透明導波路6につながったEA変調器、30はEA変調器25のp型電極パッド、31はEA変調器25のn型電極パッド、5はEA変調器25の整合抵抗であるn型オーミックコンタクト層である。
【0004】
EA変調器25に変調信号電圧を印加するためにドライバアンプの出力には、正相とその逆の反相との2つの信号がある。EA変調器25を変調する方法には2種類あり、正相または反相のいずれか一方の信号出力を使用して変調する方法を単相ドライブといい、正相および反相の両方の信号出力を使用して変調する方法を差動ドライブという。
【0005】
図10は、図9のEA変調器25を単相ドライブする場合の等価回路を示す。図10で図9と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図10において、符号20はEA変調器25と並列に接続された整合抵抗、26はEA変調器25を駆動するEA変調器ドライバ、27はEA変調器ドライバ26から正相の信号を出力する正相信号端子、28はEA変調器ドライバ26のグランド端子、29はEA変調器ドライバ26から反相(逆相)の信号を出力する反相信号端子である。
【0006】
図10では正相信号端子27から正相の信号をEA変調器25に印加する例が示されているが、EA変調器25の両端(L端およびM端)に正相または反相の信号を印加することができるようになっている。EA変調器25と並列に整合抵抗20(例えば50Ω)を配置しており、B端側は接地されている。
【0007】
図11は、図9のEA変調器25を差動ドライブする場合の等価回路を示す。図10で図9と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図11に示されるように、EA変調器25の両端(L端およびM端)に正相および反相の信号を印加している。EA変調器25と並列に整合抵抗20が2個(例えば、2R=50Ω+50Ω)配置されており、その中央(N端側)が接地されている。
【0008】
図11に示されるような差動ドライブの場合、EA変調器25に印加できる電圧は、図10に示される単相ドライブの場合の2倍の値が得られる。一般に、EA変調器25に印加できる電圧が大きいほど高い消光比を得ることができるため、差動ドライブの方が高い消光比を得ることができる。ここで、消光比(extinction ratio)とは光変調器において透過光強度を変化させたとき、その最大値と最小値との比をいい、光変調器の性能の目安となる比である。
【0009】
単相ドライブの場合のEA変調器25の遮断周波数fc(単相)は以下の(式1)で与えられる。遮断周波数とは、光が導波路内を伝搬できなくなるときの周波数である。
【0010】
【数1】
【0011】
ここで、CはEA変調器25の容量、Rは整合抵抗である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
一方、差動ドライブの場合、整合抵抗は2R(=50Ω+50Ω)であり、単相ドライブの場合の整合抵抗R(=50Ω)の2倍である。したがって、差動ドライブの場合のEA変調器25の遮断周波数fc(差動)は以下の(式2)で与えられる。
【0013】
【数2】
【0014】
つまり、差動ドライブの場合の遮断周波数fc(差動)は、単相ドライブの場合の遮断周波数fc(単相)の半分に低下してしまうという問題があった。
【0015】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、差動ドライブの場合であっても遮断周波数が半分に低下してしまうことがない光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この発明の光変調器は、絶縁性の半導体層上に設けられ、直列に配された2つの電界吸収型変調器と、第1の電界吸収型変調器の第1導電型の電極と、第2の電界吸収型変調器の第2導電型の電極とが共通に接続された電極とを備えたことを特徴とするものである。
【0017】
ここで、この発明の光変調器において、第1の電界吸収型変調器の第2導電型の電極と、第2の電界吸収型変調器の第1導電型の電極とは電気的に分離されて配されることができる。
【0018】
ここで、この発明の光変調器において、第1の電界吸収型変調器に並列に接続された第1の整合抵抗と、第2の電界吸収型変調器に並列に接続された第2の整合抵抗とをさらに備えることができる。
【0019】
ここで、この発明の光変調器において、第2の電界吸収型変調器と第2の電界吸収型変調器の第1導電型の電極のボンディングパッドとの間の距離を、第1の電界吸収型変調器と第1の電界吸収型変調器の第2導電型の電極のボンディングパッドとの間の距離より長くすることができる。
【0020】
この発明のカップルド・コプレーナ基板は、請求項1ないし4のいずれかに記載の光変調器を実装したカップルド・コプレーナ基板であって、第1の電界吸収型変調器の第2導電型の電極がフリップチップボンドされた第1の給電ラインと、第2の電界吸収型変調器の第1導電型の電極がフリップチップボンドされた第2の給電ラインと、前記電極がフリップチップボンドされたグランドラインとを備えたことを特徴とするものである。
【0021】
ここで、この発明のカップルド・コプレーナ基板において、第1の給電ライン、第2の給電ラインおよびグランドラインのフリップチップボンドは金ボール結びによることができる。
【0022】
この発明の駆動方法は、請求項1ないし4のいずれかに記載の光変調器を駆動する駆動方法であって、第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に正相の信号を印加し、他方に逆相の信号を印加することを特徴とするものである。
【0023】
ここで、この発明の駆動方法において、第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に印加される信号を、他方に印加される信号より電気的に遅らせるディレイ方法を用いることができる。
【0024】
ここで、この発明の駆動方法において、前記ディレイ方法は、第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に信号を印加する配線の長さを、他方に信号を印加する配線の長さより長くすることができる。
【0025】
ここで、この発明の駆動方法において、前記ディレイ方法は、第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に信号を印加する配線の幅を、他方に信号を印加する配線の幅より広くすることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0027】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における光変調器の上面図を示す。図1において、符号40は本発明の光変調器、1はInp基板、6はInp基板1上に設けられた透明導波路、7は透明導波路6につながったEA変調器A、8は透明導波路6につながったEA変調器B、2はEA変調器A(7)のp型(第2導電型)電極パッド、3はEA変調器B(8)のn型(第1導電型)電極パッド、4はEA変調器A(7)のn型(第1導電型)電極パッドとEA変調器B(8)のp型(第2導電型)電極パッドとの共通化電極パッド(電極)、5はEA変調器A(7)またはEA変調器B(8)の整合抵抗であるn型オーミックコンタクト層である。
【0028】
図1に示されるように、本発明の光変調器40はEA変調器A(7)とEA変調器B(8)との2個のEA変調器を透明導波路6を介して繋げた構造を有している。2つのEA変調器A(7)とB(8)とに同時に電圧を印加すると、光変調器40の端面Cから入射した光はEA変調器A(7)で吸収された後、さらにEA変調器B(8)で吸収されるため、従来の光変調器と比較して2倍の消光比を得ることができる。EA変調器A(7)のn型電極パッドとEA変調器B(8)のp型電極パッドとは共通化電極パッド(電極)4で繋がっている。2つのEA変調器A(7)およびB(8)は絶縁性の基板1上に形成されているため、EA変調器A(7)のp型(第2導電型)電極パッド2とEA変調器B(8)のn型(第2導電型)電極パッド3との間は、電気的にアイソレーションがとれている。
【0029】
図2ないし図4は、本発明の実施の形態1における光変調器40の断面図を示す。図2は図1におけるa−a’線における断面図である。図2で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図2において、符号9は基板1上に形成された絶縁膜、5は基板1上に形成されたn型オーミックコンタクト層、13はn型オーミックコンタクト層5上に形成されたn型クラッド層、12はn型クラッド層13上に形成された多重量子井戸吸収層、11は多重量子井戸吸収層12上に形成されたp型クラッド層、10はp型クラッド層11上に形成されたp型オーミックコンタクト層、7はEA変調器A、2はEA変調器A(7)のp型電極パッド、4は共通化電極パッド(電極)である。
【0030】
図3は図1におけるb−b’線における断面図を示す。図3で図1または2と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図3において、符号8はEA変調器B、3はEA変調器B(8)のn型電極パッドである。
【0031】
図4は図1におけるc−c’線における断面図を示す。図4で図1ないし3と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図4において、符号7はEA変調器A、8はEA変調器B、14aは透明導波路のコア層、14bは透明導波路のクラッド層である。
【0032】
図5は、図1に示された本発明の実施の形態1における光変調器40の等価回路を示し、図6は、本発明の実施の形態1における光変調器40をドライバに接続した場合の等価回路を示す。図5および図6、で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図6において、符号20aはEA変調器A(7)と並列に接続された整合抵抗、20bはEA変調器B(8)と並列に接続された整合抵抗、26はEA変調器A(7)およびB(8)を駆動するEA変調器ドライバ、27はEA変調器ドライバ26から正相の信号を出力する正相信号端子、28はEA変調器ドライバ26のグランド端子、29はEA変調器ドライバ26から反相(逆相)の信号を出力する反相信号端子である。
【0033】
図6に示されるように、2つのEA変調器A(7)とB(8)とにそれぞれ並列に整合抵抗R(20a、50Ω)または整合抵抗R(20b、50Ω)を接続している。EA変調器A(7)には正相の信号を印加し、EA変調器B(8)には反相の信号を印加する。EA変調器A(7)の容量とEA変調器B(8)の容量とは同じ(=C)であるとすると、本光変調器40の遮断周波数fc(本光変調器)は、以下の式(3)で与えられる。
【0034】
【数3】
【0035】
式(3)を上述の式(2)と比較すると、従来の差動ドライブの場合の遮断周波数fc(差動)よりも高い遮断周波数fc(本光変調器)を得ることができる。
【0036】
EA変調器の消光比ExはEA変調器の長さLに比例する。EA変調器の容量CもEA変調器の長さLに比例する。本発明の光変調器では、上述のように従来の単相ドライブの場合よりも2倍の消光比を取ることができる。このため、各EA変調器A(7)またはB(8)の長さLを半分にした場合であっても、従来の単相ドライブの場合と同じ消光比を取ることができる。EA変調器A(7)等の長さLを半分にすると、EA変調器A(7)等の容量Cは半分(=C/2)になるため、式(3)のCをC/2に置き換えると、以下の式(4)が得られる。
【0037】
【数4】
【0038】
つまり、本光変調器40により、同じ消光比を取ることができる条件で単相ドライブよりも約28.8%高い遮断周波数fc(本光変調器)を得ることができる。
【0039】
以上より、実施の形態1によれば、EA変調器A(7)とEA変調器B(8)との2個のEA変調器を透明導波路6を介して直列に繋げた構造を有する光変調器40とすることができる。2つのEA変調器A(7)とB(8)とに同時に電圧を印加すると、光変調器40の端面Cから入射した光はEA変調器A(7)で吸収された後、さらにEA変調器B(8)で吸収されるため、従来の光変調器と比較して2倍の消光比を得ることができる。このため、差動ドライブの場合であっても遮断周波数が半分に低下してしまうことがない光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法を得ることができる。
【0040】
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2における光変調器の上面図を示す。図7で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図7において、符号42は本発明の別の光変調器、6aは光変調器42のc側とEA変調器A(7)との間を繋ぐ導波路、6bはEA変調器A(7)とEA変調器B(8)との間を繋ぐ導波路、6cはEA変調器B(8)と光変調器42のc’側との間を繋ぐ導波路、15aはEA変調器A(7)とEA変調器A(7)のp型電極パッド2(ボンディングパッド)との間に設けられた配線、15bはEA変調器B(8)とEA変調器B(8)のn型電極パッド3(ボンディングパッド)との間に設けられた配線である。
【0041】
図7に示されるように、c側から入射した光は、EA変調器A(7)で変調された後、繋ぎの透明導波路6bを通ってEA変調器B(8)へ入る。繋ぎの導波路6bの長さをLwとすると、EA変調器A(7)を出た光がEA変調器B(8)へ入るまでに要する時間Tabは、以下の式(5)で与えられる。
【0042】
【数5】
【0043】
ここで、nは繋ぎの導波路6bの屈折率、cは光速度である。例えば、繋ぎの導波路6bの長さLw=100μm、屈折率n=3.16、光速度c=3×108m/sとすると、時間Tabは約10−12s=1psとなる。つまり、EA変調器A(7)とB(8)とで約1psの時差が生ずることになる。この結果、例えば40Gbps、すなわち1パルスが25ps等の高速で変調する場合、変調光波形が2重化してしまうことになる。そこで、このような時差が生じないようにするため、図7に示されるように、EA変調器B(8)とEA変調器B(8)のn型電極パッド3(ボンディングパッド)との間に設けられた配線15bの長さを、EA変調器A(7)とEA変調器A(7)のp型電極パッド2(ボンディングパッド)との間に設けられた配線15aの長さよりも長くして、EA変調器B(8)に駆動電気信号がかかるのを遅らせる構成とした。変調光波形の2重化を防止する別の構成として、EA変調器A(7)を駆動する給電ラインの長さとEA変調器B(8)を駆動する給電ラインの長さとを異なるようにすることもできる。あるいは他の構成として、駆動回路で電気的にディレイをかけたりしてEA変調器B(8)の方が1ps分遅く変調がかかるようにすることもできる。
【0044】
以上より、実施の形態2によれば、変調光波形の2重化を防止するため、EA変調器B(8)とEA変調器B(8)のn型電極パッド3(ボンディングパッド)との間に設けられた配線15bの長さを、EA変調器A(7)とEA変調器A(7)のp型電極パッド2(ボンディングパッド)との間に設けられた配線15aの長さよりも長くすることにより、EA変調器B(8)に駆動電気信号がかかるのを遅らせる構成とすることができる。給電ラインの長さを変えたり、駆動回路で電気的にディレイをかけることによっても変調光波形の2重化を防止することができる。
【0045】
実施の形態3.
本実施の形態3は、上述の実施の形態で示された光変調器を実装する基板等について説明する。本発明の光変調器40等は、図1または図7に示されたように3個の電極を有しているため、従来と異なる実装方法が必要となる。
【0046】
図8は、本発明の実施の形態3における、光変調器の実装基板および実装方法を示す。図8で図1、図6及び図7と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図8において、符号17は光変調器40または42を実装する誘電体基板(カップルド・コプレーナ基板)、16は誘電体基板17上に形成されたグランドライン、18は誘電体基板17上に形成された給電ラインA、19は誘電体基板17上に形成された給電ラインB、21、22、23aおよび23bは金ボール、24はグランドである。
【0047】
図8に示されるように、給電ライン(ストリップ線路)A(18)、B(19)および2つの整合抵抗20aと20bとを有するカップルド・コプレーナ基板17を作製する。2つの整合抵抗20aと20bとは片側をグランド24に接地されている。基板17に光変調器40または42をフリップチップする。各電極は以下のように結ぶことができる。EA変調器A(7)のp型電極パッド2とストリップ線路A(18)とを金ボール21で結ぶ。EA変調器B(8)のn型電極パッド3とストリップ線路B(19)とを金ボール22で結ぶ。共通化電極パッド4に接続されたEA変調器A(7)のn型電極パッドとグランド24とを金ボール23aで結び、共通化電極パッド4に接続されたEA変調器B(8)のp型電極パッドとグランド24とを金ボール23bで結ぶ。上述のようにフリップチップボンドされた基板において、ストリップ線路A(18)には正相の駆動電圧を印加し、ストリップ線路B(19)には反相(逆相)の駆動電圧を印加して使用する。本実施の形態3ではカップルド・コプレーナ基板17と金ボール21等を介したフリップチップ実装を用いたため、10Gbps以上の高周波に対しても対応することができる。
【0048】
以上より、実施の形態3によれば、本発明の実施の形態における光変調器を実装するために、カップルド・コプレーナ基板17と金ボール21等を介したフリップチップ実装を用いることができる。このため、10Gbps以上の高周波に対しても対応することができる。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法によれば、光変調器40等においてEA変調器A(7)とEA変調器B(8)との2個のEA変調器を透明導波路6を介して直列に繋げることにより、差動ドライブの場合であっても遮断周波数が半分に低下してしまうことがない光変調器、光変調器の実装基板および光変調器の駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1における光変調器の上面図である。
【図2】 図1におけるa−a’線における断面図である。
【図3】 図1におけるb−b’線における断面図である。
【図4】 図1におけるc−c’線における断面図である。
【図5】 図1に示された本発明の実施の形態1における光変調器40の等価回路を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態1における光変調器40をドライバに接続した場合の等価回路を示す図である。
【図7】 本発明の実施の形態2における光変調器の上面図である。
【図8】 本発明の実施の形態3における、光変調器の実装基板および実装方法を示す図である。
【図9】 従来の電界吸収型(Electro Absorption : EA)変調器の構造を示す図である。
【図10】 図9のEA変調器25を単相ドライブする場合の等価回路を示す図である。
【図11】 図9のEA変調器25を差動ドライブする場合の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
1 Inp基板、 2 EA変調器A(7)のp型電極パッド、 3 EA変調器B(8)のn型電極パッド、 4 共通化電極パッド、 5 n型オーミックコンタクト層、 6,6a,6b,6c 透明導波路、 7 EA変調器A、 8 EA変調器B、 9 絶縁膜、 10 p型オーミックコンタクト層、 11 p型クラッド層、 12 多重量子井戸吸収層、13 n型クラッド層、 14a 透明導波路のコア層、 14b 透明導波路のクラッド層、 15a,15b 配線、 16 グランドライン、 17 誘電体基板、 18 給電ラインA、 19 給電ラインB、20,20a,20b 整合抵抗、 21,22,23a,23b 金ボール、 26 EA変調器ドライバ、 27 正相信号端子、 28 グランド端子、 29 反相信号端子、 25 従来のEA変調器、 30EA変調器25のp型電極パッド、 31 EA変調器25のn型電極パッド、 40,42 光変調器。
Claims (9)
- 絶縁性の半導体層上に設けられ、直列に配された2つの電界吸収型変調器と、
第1の電界吸収型変調器の第1導電型の電極と、第2の電界吸収型変調器の第2導電型の電極とが共通に接続された電極と
を備え、
第2の電界吸収型変調器と第2の電界吸収型変調器の第1導電型の電極のボンディングパッドとの間の距離を、第1の電界吸収型変調器と第1の電界吸収型変調器の第2導電型の電極のボンディングパッドとの間の距離より長くしたことを特徴とする光変調器。 - 請求項1記載の光変調器において、
第1の電界吸収型変調器の第2導電型の電極と、第2の電界吸収型変調器の第1導電型の電極とは電気的に分離されて配されたことを特徴とする光変調器。 - 請求項1または2記載の光変調器において、
第1の電界吸収型変調器に並列に接続された第1の整合抵抗と、
第2の電界吸収型変調器に並列に接続された第2の整合抵抗と
をさらに備えたことを特徴とする光変調器。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の光変調器を実装したカップルド・コプレーナ基板であって、
第1の電界吸収型変調器の第2導電型の電極がフリップチップボンドされた第1の給電ラインと、
第2の電界吸収型変調器の第1導電型の電極がフリップチップボンドされた第2の給電ラインと、
前記電極がフリップチップボンドされたグランドラインと
を備えたことを特徴とするカップルド・コプレーナ基板。 - 請求項4記載のカップルド・コプレーナ基板において、
第1の給電ライン、第2の給電ラインおよびグランドラインのフリップチップボンドは金ボール結びによることを特徴とするカップルド・コプレーナ基板。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の光変調器を駆動する駆動方法であって、
第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に正相の信号を印加し、他方に逆相の信号を印加することを特徴とする駆動方法。 - 請求項6記載の駆動方法において、
第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に印加される信号を、他方に印加される信号より電気的に遅らせるディレイ方法を用いたことを特徴とする駆動方法。 - 請求項7記載の駆動方法において、
前記ディレイ方法は、第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に信号を印加する配線の長さを、他方に信号を印加する配線の長さより長くすることを特徴とする駆動方法。 - 請求項7記載の駆動方法において、
前記ディレイ方法は、第1の電界吸収型変調器または第2の電界吸収型変調器のいずれか一方に信号を印加する配線の幅を、他方に信号を印加する配線の幅より広くすることを特徴とする駆動方法。
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