JP5023110B2 - 光変調器モジュール - Google Patents

Description

本発明は駆動電圧が低く、かつ高速で変調が可能な光変調器モジュールに関する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れた伝送特性から１．５５μｍ帯の２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

このＬＮ光変調器にはｚ−カットＬＮ基板を使用するタイプとｘ−カットＬＮ基板（あるいはｙ−カットＬＮ基板）を使用するタイプがある。ここでは、従来技術としてｚ−カットＬＮ基板と２つの接地導体を有し、基本モードの伝搬に有利なコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｚ−カットＬＮ光変調器をとり上げる。

実際に光伝送システムにおいて光変調器を使用する場合には、電気的終端をパッケージ（あるいは筐体）の中に実装したモジュールの形態であるので、ここでは光変調器モジュールとして議論する。なお、以下の議論はｘ−カットＬＮ基板やｙ−カットＬＮ基板でも同様に成り立つ。

光変調器モジュールの例として、特許文献１に開示されているｚ−カットＬＮ光変調器モジュールをとり上げ、その模式的な上面図を図８に示す。ＬＮ光変調器５０が矩形状の筺体であるパッケージ７の内部に配置されている。１はｚ−カットＬＮ基板である（実際にはこの上にＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層を形成するがここでは省略する）。２はｚ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。ＣＰＷ進行波電極は中心導体３ａ、接地導体３ｂ、３ｃからなっている。４は外部回路であるドライバーであり、５は信号源、６はＤＣ成分をカットするコンデンサである。なお、ＤＱＰＳＫ型のＬＮ光変調器モジュールでは複数のマッハツェンダ光導波路をネスト状に用いる。

パッケージ７の中にはＬＮ光変調器５０の他に電気的終端８も内蔵されている。ここで、９はパッケージ７に設けたバイアス用端子、１０は抵抗値Ｒ_Ｂのバイアス抵抗、１１と１２は高周波用コンデンサ、１３は抵抗値Ｒ_Ｌの終端抵抗、１４はキャパシタンスＣ_１４の低周波用コンデンサである。図９に図８に示したｚ−カットＬＮ光変調器モジュールの等価回路図を示す。１５はバイアス電圧V_ｂを出力するバイアス電源であり、通常オペアンプにより構成されている。なお、通常、これらの電気部品はアルミナ基板や窒化アルミなどの誘電体基板の上に搭載されている。

１６はｚ−カットＬＮ光変調器のチップのＣＰＷ進行波電極を分布定数表現したものであり、１７はインダクタンス、１８は電極材料のＡｕに起因する抵抗、１９はキャパシタンス、２０はコンダクタンスに対応している。

次に、このように構成されるＬＮ光変調器モジュールの動作について説明する。このＬＮ光変調器モジュールを動作させるには、ドライバー４から中心導体３ａと接地導体３ｂ、３ｃ間に高周波電気信号を印加するとともに、電気的終端８からバイアス電圧を印加する。

図１０にＬＮ光変調器モジュールの電圧−光出力特性を示す。ここで、Ｖ_ｂはその際のバイアス電圧（ここでは、ＤＣバイアス電圧）である。この図１０に示すように、通常、バイアス電圧Ｖ_ｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。バイアスＶ_ｂを適正に印加することはＬＮ光変調器モジュールの特性を有効に引き出すために極めて重要である。

ここで、この従来技術の問題点について考察する。低周波用コンデンサ１４の容量は１μＦ程度である。バイアスＶ_ｂを決めるために、一般に１０ＫＨｚ程度以下の周波数を有する電気信号が使用される。この場合、低周波用コンデンサ１４のインピーダンスは、低周波用コンデンサ１４のキャパシタンスＣ_１４を用いると、１／（ωＣ_１４）と表され１５．９Ωとなる。なお、ωは角周波数であり、周波数ｆに対して２πｆとして与えられる。

図９の電気的接続点Ａにおける電圧がｚ−カットＬＮ光変調器モジュールのチップに印加されるバイアス電圧と近似できる。そして、バイアス抵抗１０にかかる電圧Ｖ_１と電気的接続点Ａにおける電圧（即ち低周波用コンデンサ１４にかかる電圧Ｖ_２）について、
Ｖ_１ ＋ Ｖ_２ ＝ Ｖ_ｂ （１）
の関係がある。

バイアス電源１５から出力されるバイアス電圧の半分以上をｚ−カットＬＮ光変調器のチップに印加する（Ｖ_１＜Ｖ_２）には、バイアス抵抗１０の抵抗値Ｒ_Bは低周波用コンデンサ１４のインピーダンス１５．９Ωの半分以下が望ましい。そのため、バイアス抵抗１０の値としては５〜７Ωの小さな値が選択されることになる。

ここで、バイアス抵抗１０は２つの重要な役割をしている。一つは低周波用コンデンサ１４が壊れてショート状態になった場合にバイアス電源１５を保護する保護抵抗としての役目であり、もう一つはバイアス電源１５に使用されているオペアンプの発振を防止する役目である。つまり、一般にオペアンプは容量性負荷により、発振し易い。そこで、バイアス抵抗１０は低周波用コンデンサ１４によるオペアンプの発振を抑圧するためのダンピング抵抗としての役目も果たす。このオペアンプの発振の問題はＬＮ光変調器を使用する上で深刻な問題である。

ところが、バイアス抵抗１０の値Ｒ_Ｂが５〜７Ωと小さいので、低周波用コンデンサ１４が壊れた際のバイアス電源１５の保護としての効果も、またバイアス電源１５内のオペアンプの発振を抑える効果も小さい。

特開２００３−２９５１３９号公報

以上のように、従来技術ではバイアス電源に電気的に接続されているバイアス抵抗の値が小さかったため、低周波用コンデンサが壊れた際の保護や、実用上極めて重要な問題であるバイアス電源に使用されているオペアンプの発振抑圧について充分な効果を発揮できないという問題があった。これらの問題のどちらか一つでも発生すると、ＬＮ光変調器にバイアス電圧を印加できなくなり、変調器としての機能を発揮することが不可能となる。そのため、これらの問題を解決したバイアス電源についての保護とその発振の抑圧が可能な優れた技術の実現が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、バイアス電源について、その保護と発振の抑圧が可能な光変調器モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器モジュールは、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極とからなる光変調器と、前記光変調器の前記電極に接続され、当該電極を通過した前記高周波電気信号を終端する電気的終端と、前記光変調器と前記電気的終端とを内部に配置する筐体とを有し、バイアス電圧が前記電気的終端を介して前記電極に印加される光変調器モジュールにおいて、前記電気的終端は、前記高周波電気信号を終端するための終端抵抗と、コンデンサとを含んでおり、前記終端抵抗は、各々の抵抗値の和が当該終端抵抗の抵抗値となる複数の抵抗で構成され、当該複数の抵抗の間から前記バイアス電圧が印加されることを特徴としている。

また、本発明の請求項２の光変調器モジュールは、請求項１に記載の光変調器モジュールにおいて、前記バイアス電圧は、バイアス抵抗を介して印加されることを特徴としている。

また、本発明の請求項３の光変調器モジュールは、請求項１または請求項２に記載の光変調器モジュールにおいて、前記コンデンサは、高周波用コンデンサおよび低周波用コンデンサであることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の光変調器モジュールは、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光変調器モジュールにおいて、前記基板が半導体基板であることを特徴としている。

本発明によれば、バイアス電源から見た等価的なバイアス抵抗を大きくすることができるので、コンデンサが壊れた際にバイアス電源を保護する効果とバイアス電源の中に使用されているオペアンプの発振を抑圧する効果を発揮できる。

本発明の第１の実施形態に係るＬＮ光変調器モジュールの模式的な上面図 本発明の第１の実施形態に係る光変調器モジュールの等価回路図 本発明の第２の実施形態に係るＬＮ光変調器モジュールの模式的な上面図 本発明の第２の実施形態に係る光変調器モジュールの等価回路図 本発明の第１の実施形態に係る光変調器モジュールの終端抵抗の斜視図 本発明の第２の実施形態に係る光変調器モジュールの終端抵抗の斜視図 本発明の第２の実施形態に係る光変調器モジュールの他の終端抵抗の斜視図 従来技術に係る光変調器モジュールの模式的な上面図 従来技術に係る光変調器モジュールの等価回路図 従来技術に係る光変調器モジュールの動作を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図８および図９に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１に本発明における第１の実施形態のＬＮ光変調器モジュールについてその模式的な上面図を示す。ここで、２１が本発明において重要な役割をする電気的終端である。図１のＬＮ光変調器モジュールについてその詳しい等価回路を図２に示す。図９に示した抵抗値Ｒ_Ｌの終端抵抗１３は本実施形態では各々抵抗値がＲ_Ｌ１とＲ_Ｌ２の終端抵抗２２と２３に分割される。さらに、バイアス電源１５からのバイアス抵抗１０を終端抵抗２２と２３の間の電気的接続点Ｂに電気的に接続する。本実施形態ではｚ−カットＬＮ光変調器モジュールに印加されるバイアス電圧は電気的接続点Ｂの電圧で決定される。

図２からわかるように、低周波用コンデンサ１４にとっての抵抗は図９に示した従来技術における抵抗値Ｒ_Ｂのバイアス抵抗１０の他に分割された抵抗値Ｒ_Ｌ２の終端抵抗２３が加算されることになる。そのため、低周波用コンデンサ１４が壊れてショート状態になった場合におけるバイアス電源１５の保護抵抗としては、バイアス抵抗１０の５〜７Ωと小さな抵抗値Ｒ_Ｂの他に終端抵抗２３の抵抗値Ｒ_Ｌ２が加算され、Ｒ_Ｂ＋Ｒ_Ｌ２となる。

一般に、中心導体３ａ、接地導体３ｂ、３ｃからなるＣＰＷ進行波電極の終端抵抗は５０Ω程度であるので、終端抵抗２３の抵抗値Ｒ_Ｌ２としては５０Ω以下の数十Ωを選択することが可能となる。その結果、バイアス電源１５の保護抵抗Ｒ_Ｂ＋Ｒ_Ｌ２は１０〜６０Ω程度を選択することができる。これらの値はバイアス電源１５の保護抵抗として充分な値となる。

一方、バイアス電源１５を構成する部品の一つであるオペアンプは低周波用コンデンサ１４のような大きなキャパシタンスがあると、これが容量性負荷として見えるために発振し易いことを述べた。この問題についても、終端抵抗２３が加算されることによりダンピング抵抗がＲ_Ｂ＋Ｒ_Ｌ２として大きくなるので発振を効果的に抑圧することが可能となる。なお、実数の値Ｒ_Ｌ２を有する終端抵抗２３が加算されることにより、オペアンプへの位相回りの影響を改善することができるとも解釈することができる。

なお、Ｒ_Ｌ２が充分大きな値となる場合にはバイアス抵抗Ｒ_Ｂを省略することが可能となる。また、ここでは終端抵抗２２と２３の２つに分割する（複数にする）としたが、３つ以上に分割しても良いことは言うまでもない。ここで、終端抵抗２３の抵抗値Ｒ_Ｌ２とバイアス抵抗１０の抵抗値Ｒ_Ｂの大小関係について述べておく。本発明のポイントはバイアス電源１５から低周波用コンデンサ１４を見た際の合成抵抗の値を大きくすることである。つまり、終端抵抗２３の抵抗値Ｒ_Ｌ２とバイアス抵抗１０の抵抗値Ｒ_ＢとのＲ_Ｌ２＋Ｒ_Ｂの和が重要となる。従って、終端抵抗２３の抵抗値Ｒ_Ｌ２はバイアス抵抗１０の抵抗値Ｒ_Ｂよりも大きくても小さくてもよいし、等しくても良い。そして以上のことは本発明の全ての実施形態について当てはまる。

図５に本実施形態における終端抵抗の具体的な一例を示す。この終端抵抗はシート抵抗で構成されている。中央部を横断して電極パッド２９が形成されており、終端抵抗を２２と２３に実質的に分割する役割も有している。３０は電気的接続点Ｂからバイアス電圧を供給するためのワイヤである。

［第２の実施形態］
本発明における第２の実施形態のＬＮ光変調器モジュールについて、その模式的な上面図を図３に示し、等価回路図を図４に示す。ここで、２４が第２の実施形態の電気的終端である。

なお、本発明の第１の実施形態では終端抵抗を各々抵抗値がＲ_Ｌ１とＲ_Ｌ２の２つの終端抵抗２２と２３に分けると述べた。終端抵抗を第１の実施形態のように完全に分けても良いが、実際には分けない構成としても良い。つまり、これらは図８や図９に示した終端抵抗１３と同様に一体であっても良い。

この第２の実施形態においては、図３や図４のようにバイアス電源１５からの電気的接続点Ｂを実際には一体で構成される終端抵抗２５の所定の位置に、直接もしくは抵抗を介して電気的に接続する。このように構成することで、実質的に第１の実施形態と同様の作用効果を有する。

図６に本実施形態における終端抵抗の具体的な一例を示す。この終端抵抗はシート抵抗で構成されている。３１は電極パッドであり、３０は電気的接続点Ｂからバイアス電圧を供給するためのワイヤである。終端抵抗２５に流れている電流は、終端抵抗２５に流れる電流に垂直な方向の淵で高くなるので、電流が少ない領域に電極パッド３１を設けている。

図７に本実施形態における終端抵抗の他の例を示す。この終端抵抗も図６と同様、シート抵抗で構成されている。３２は電極パッドであり、３０は電気的接続点Ｂからバイアス電圧を供給するためのワイヤである。この例では、終端抵抗２５に流れている電流に与える擾乱が小さくなるように電極パッド３２を設けている。

［各種実施形態］
以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。そしてＤＱＰＳＫ型の光変調器などマッハツェンダ型光導波路をネスト状に組み合わせた構造や、シングル電極、あるいはＤｕａｌ電極などについても本発明は勿論有効である。また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。

さらに、以上の実施形態はｘ−カット、ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸、ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板にも適用可能であるし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良い。また、基板が半導体の場合についても本発明を適用できる。

以上のように、本発明に係る光変調器モジュールは、安価で、歩留まりが良い光変調器モジュールとして有用である。

１：ｚ−カットＬＮ基板（基板、ＬＮ基板）
２：光導波路
３ａ：中心導体
３ｂ、３ｃ：接地導体
４：ドライバー
５：信号源
６：コンデンサ
７：パッケージ
８、２１、２４：電気的終端
９：バイアス用端子
１０：バイアス抵抗
１１、１２：高周波用コンデンサ
１３、２２、２３、２５：終端抵抗
１４：低周波用コンデンサ
１５：バイアス電源
１６：ＣＰＷ進行波電極の分布定数表現
１７：インダクタンス
１８：抵抗
１９：キャパシタンス
２０：コンダクタンス
２９、３１、３２：電極パッド
３０：ワイヤ
５０：ＬＮ光変調器
Ａ、Ｂ：電気的接続点

Claims (4)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極とからなる光変調器と、
   前記光変調器の前記電極に接続され、当該電極を通過した前記高周波電気信号を終端する電気的終端と、
   前記光変調器と前記電気的終端とを内部に配置する筐体とを有し、バイアス電圧が前記電気的終端を介して前記電極に印加される光変調器モジュールにおいて、
   前記電気的終端は、前記高周波電気信号を終端するための終端抵抗と、コンデンサとを含んでおり、
   前記終端抵抗は、各々の抵抗値の和が当該終端抵抗の抵抗値となる複数の抵抗で構成され、当該複数の抵抗の間から前記バイアス電圧が印加されることを特徴とする光変調器モジュール。
2. 前記バイアス電圧は、バイアス抵抗を介して印加されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器モジュール。
3. 前記コンデンサは、高周波用コンデンサおよび低周波用コンデンサであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調器モジュール。
4. 前記基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
   

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