JP5381074B2 - 光変調装置および光変調装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、光変調装置および光変調装置の製造方法に関する。

従来、例えば、下記の特許文献１に開示されているように、電気信号に基づいて光変調を行う光変調器が知られている。特許文献１にかかる光変調器は、所謂、進行波型の光変調器である（一般にＬＮ変調器とも称される）。特許文献１の光変調器は、光導波路と、この光導波路の近傍位置する信号電極と、この信号電極に電気信号（具体的には高周波電圧）を入力する入力回路とを備える。信号電極の出力側には、終端抵抗が設けられている。特許文献１では、信号電極の特性インピーダンスと終端抵抗の抵抗値とを異なる値に設定している。これにより生ずる反射波を利用して、特に高周波帯域における光変調特性の劣化を防止している。

特開平１１−１８３８５８号公報 特開２００４−３９８５４号公報 特開２００２−３５０７９２号公報 特開２００５−６２８５５号公報 ＷＯ２００５／０９１０５６国際公開パンフレット 特開平０１−１９２１８８号公報

近年では、いわゆる電界吸収型（ＥＡ変調器とも称される）の光変調器の開発、実用化が進められている。電解吸収型光変調器は、特許文献１のような進行波型の光変調器とは、その動作原理が異なるものである。特許文献１のような進行波型の光変調器は、電圧印加による光導波路の屈折率変化を利用するものである。これに対し、電解吸収型光変調器は、電界の印加によって半導体の吸収端が変化することを利用して光変調を行うものである。

電気信号を光変調器に入力する際には、群遅延が生ずる。光変調器の駆動時における群遅延の影響の抑制などの観点からは、信号周波数に応じた群遅延の特性すなわち群遅延特性を所望の特性に調節しておくことが好ましい。しかしながら、従来、電解吸収型光変調器における群遅延特性の調節に関する手法が見出されていなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、群遅延特性の調節が可能な構成を備えた、電界吸収型の光変調装置および光変調装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、光変調装置であって、
電極を備え、この電極へ印加される電気信号に応じて光変調を行う電界吸収型の光変調素子と、
前記電極と接続し、外部から電気信号の入力を受けて該電極に該電気信号を供給することができる第１信号線路と、
前記電極と接続する第２信号線路と、
前記電極と接続した部位とは異なる部位において前記第２信号線路と直列に接続し、該第２信号線路と異なるインピーダンスを備えた抵抗素子と、
を備え、
前記第２信号線路が第１の基板に、前記抵抗素子が前記第１の基板とは異なる第２の基板に、それぞれ形成されており、
前記第２信号線路と前記抵抗素子とを接続する第１ワイヤと、
前記第１ワイヤに対して並列に接続する容量素子と、を備え、
前記第１ワイヤのインダクタンスL、前記容量素子の容量C、前記抵抗素子の抵抗値をRとしたときに、R=(L/C)^0.5を満たすことを特徴とする。
また、本発明は、上記の目的を達成するため、群遅延特性を有する光変調装置を製造する製造方法において、
電極を備え、この電極へ印加される電気信号に応じて光変調を行う電界吸収型の光変調素子を準備し、
前記電極と接続し、外部から電気信号の入力を受けて該電極に該電気信号を供給することができる第１信号線路を形成し、
前記電極と接続した第２信号線路を形成し、
前記電極と接続した部位とは異なる部位において前記第２信号線路と直列に接続し、該第２信号線路と異なるインピーダンスを備えた抵抗素子を形成する光変調装置の製造方法であって、
前記抵抗素子の抵抗値をＲとし、前記第２信号線路の長さをＬとし、前記第２信号線路のインピーダンスをＺｌとし、前記第２信号線路の信号の周波数をｆとし、前記第１信号線路および前記第２信号線路での信号速度をｃ´とした場合に、
Ｇｄ ＝ Ｔａｎ^−１｛ρ×Ｓｉｎ（φ）｝／｛１＋ρ×Ｃｏｓ（φ）｝
φ ＝ Ｌ×（ｆ／ｃ´）×２π
ρ ＝ −（Ｚｌ−Ｒ）／（Ｚｌ＋Ｒ）
で定まるＧｄが前記群遅延特性と一致するように定めた長さLを有するように前記第２信号線路を形成し、かつＧｄが前記群遅延特性と一致するように定めた抵抗値Rを有するように前記抵抗素子を形成することを特徴とする。

この発明によれば、群遅延特性を所望の特性に調節することができる。すなわち、先ず、抵抗素子のインピーダンスに応じて、第２信号線路に対する反射率が変化する。抵抗素子から第２信号線路へと反射される反射波と、第１信号線路からの進行波との合成波によって、光変調器が動作する。このような動作状態においては、群遅延特性は反射率の関数となる。従って、抵抗素子のインピーダンスを第２信号線路のインピーダンスと異なる値に適宜に定めることにより、所望の群遅延特性を備えた光変調装置を得ることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１はこの発明の実施の形態1を示す半導体光変調装置の回路図である。図１において、符号１は、半導体光変調器を指す。実施の形態１の半導体光変調器１は、電界吸収型（ＥＡ変調器とも称される）の光変調器である。ＥＡ変調器は、電界の印加によって半導体の吸収端が変化することを利用して、光変調を行うものである。ＥＡ変調器の動作原理や各種の具体的構成が既に公知であるため、ここではこれ以上の説明は行わない。

符号２は、電極１ａと、入力側線路２０の間に接続されるワイヤを指す。符号３は、半導体光変調器１の電極１ａと出力側線路４の間に接続されるワイヤを指す。４は出力側線路、５は出力側線路４に直列に接続された抵抗５である。出力側線路４と抵抗５は、異なるインピーダンスを備えている。言い換えれば、出力側線路４と抵抗５の接続部位は、インピーダンスが不整合の状態にある。

［実施の形態１の動作］
以下、図２を用いて、実施の形態１の光変調装置の動作を説明する。半導体光変調器１での進行波をY0とし、振幅を規格化すると、下記の式（１）が成り立つ。また、半導体光変調器１での反射波Y1は、抵抗５での反射率をρとすると、下記の式（２）で表せる。
Y0 = sin(ωt) ・・・ （１）
Y1 = ρsin(ωt-φ) ・・・ （２）
図２に、進行波Y0と反射波Y1との関係を示す。

式（２）におけるρは、出力側線路４のインピーダンスをZl、抵抗５の抵抗値をRとすると、下記の式で表すことができる。
ρ = -(Zl-R)/(Zl+R) ・・・ （３）
式（２）におけるφは、出力側線路４の長さをL、周波数をf、伝送路中（信号線路中）の信号速度をc'とすると、下記の式で表すことができる。
φ = L×(f/c')×2π ・・・ （４）

Y0とY1の合成波Y2は、下記の式で表せる。
Y2 = Y0+Y1 = sin(ωt) + ρsin(ωt-φ)
= A × sin(ωt+θ) ・・・ （５）
ただし、式（５）のAおよびθは、下記の式をそれぞれ満足する。
A = [{1+ρ×Cos(φ)}²+{ρ×Sin(φ)}²]^1/2 ・・・ （６）
Tanθ = -{ρ×Sin(φ)}/ {1+ρ×Cos(φ)} ・・・ （７）

群遅延特性は、位相の周波数微分で表すことができる。群遅延特性をGdとすると、下記の式が得られる。
Gd = dθ/df = Tan^-1{ρ*Sin(φ)}/ {1+ρ*Cos(φ)} ・・・ （８）

式（８）からわかるように、本実施形態において、群遅延特性は反射率ρの関数となっている。また式（４）から、本実施形態において、群遅延特性は出力側線路４の長さ（言い換えれば、半導体光変調器１と抵抗との間の距離）の関数でもある。すなわち、反射率ρや、出力側線路４の長さＬを適宜に定めることによって、所望の群遅延特性を実現することができる。

図３は、実施の形態１の効果説明のためのシミュレーション結果を示す図である。図３を求める際の条件は、終端抵抗（抵抗５）を５０Ω、半導体光変調器１と終端抵抗との間の長さを２．５ｍｍ、線路（出力側線路４）の比誘電率を３．３とした。この場合において出力側線路のインピーダンスを４０Ωと６０Ωにそれぞれ変化させたときの群遅延特性が、図３に示されている。

線路のインピーダンスが４０Ωの場合は、ＤＣ〜１０ＧＨｚの周波数帯で負の傾きの群遅延特性が得られている。出力側線路のインピーダンスが６０Ωの場合は、正の傾きの群遅延特性が得られている。このように、実施の形態１によれば、反射率や出力側線路４の長さを適宜に変更することで、群遅延特性を所望の特性に調節することができる。

実施の形態２.
実施の形態２では、実施の形態１で示した半導体光変調装置において、反射率ρの絶対値を0.05以上とする。その他の構成は実施の形態１と同様のため、図示および説明を省略する。具体的には、既述した式（３）に従って、反射率ρの大きさが５％以上となる程度に、抵抗５の抵抗値と出力側線路４のインピーダンスとを適宜に選択すればよい。反射率ρの絶対値が０．０５以上（５％以上）であることで、群遅延を十分に変化させることができる。よって、所望の群遅延特性を得ることが容易である。

実施の形態３.
実施の形態３では、実施の形態１の半導体光変調装置において、出力側線路の電気長（実効電気長）が、動作周波数（ビットレートの周波数）に対する波長の１／４以下とされる。その他の構成は実施の形態１と同様のため、図示および説明を省略する。

図４は、出力側線路の比誘電率を3.3として、出力側線路の長さを変化させたときの群遅延特性のシミュレーション結果を示す。群遅延特性は、三角関数で表せるので、周波数に対して周期的な特性を持つ。これに起因して、特定の周波数領域内で、群遅延特性が負の傾きと正の傾きの両方を持ってしまう。具体的には、例えば出力側線路の長さが７．５ｍｍの場合、図４に示すように、ＤＣ〜１０ＧＨｚまでに負の傾きと正の傾きを持ってしまう。この場合、１０ＧＨｚ以上で動作させる際には、補償の効果が失われてしまう。

そこで、実施の形態３では、出力側線路の実効電気長を、動作周波数に対する波長の１／４以下とした。これにより、補償の効果を得つつ、群遅延特性を所望の特性に調節することができる。

実施の形態４.
図５は、本発明の実施の形態４を示す半導体光変調装置の回路図である。実施の形態４の構成は、下記の（a）〜(c)に記載した３つの点を除き、実施の形態１の構成と同じである。
（a）抵抗５と出力側線路４とが別々の基板上（基板３０、３２）に形成されている。
（b）出力側線路４と抵抗５との間にワイヤ６が存在する。
（c）容量素子７が加えられている。この容量素子７は、具体的には、出力側線路４と抵抗５との間に介在する電極パッドの容量成分である。

抵抗５と出力側線路４とが別々の基板上に形成されている場合（すなわち、出力側線路４が基板３０に、抵抗５が基板３２に、それぞれ形成されている場合）、それらをワイヤで接続する必要がある。ワイヤはインダクタンスとして作用するため、反射率を変化させる。そこで、実施の形態４では、出力側線路４に容量素子７による容量成分を加えて反射率の変化を抑えることとした。これにより、実施の形態１と同様に、反射波と進行波の合成による作用を得ることが可能である。

実施の形態５.
実施の形態５は、図５に示した実施の形態４と同様の構成を備える。しかし、実施の形態５では、ワイヤ６のインダクタンスLと容量素子７の容量Cとの関係が、抵抗５の抵抗値をRとしたときに下記の式を満たす。
R = (L/C)^0.5 ・・・ （９）
すなわち、実施の形態５では、式（９）の関係を満たすようにワイヤ６と容量素子７が選定されている。インダクタンスと容量の関係が、抵抗の値をRとしたときにR=(L/C)^0.5となった場合、合成インピーダンスが抵抗Rと等しくなる。これにより実施の形態５においても、実施の形態１と同じように抵抗５の抵抗値を定めることにより、実施の形態１と同等の作用を得ることが可能である。

実施の形態６.
図６は、実施の形態６にかかる半導体光変調装置の回路図である。図６において、符号８は、半導体光変調器１の電極１ａと接続するワイヤを指す。符号９は、ワイヤ８と出力側線路４とを接続するインダクタ素子である。群遅延特性の傾きを下げようとするとする場合、図７のように利得も同時に低下してしまう。そこで、実施の形態６では、半導体光変調器１と出力側線路４との間にインダクタ素子９を追加する。インダクタ素子９のインダクタンス成分により、利得の落ち込みを抑えることができる。

なお、以上説明した実施形態にかかる光変調装置によれば、結果的に、エネルギー使用量の削減効果や、群遅延特性を所望に調節可能であることによる生産性向上効果も享受できる。本実施形態にかかる光変調装置は、環境負荷低減にも資する優れたものである。

本発明の実施の形態１にかかる光変調装置の回路図である。 実施の形態１の動作を説明するために示す、光変調器１における進行波と反射波の図である。 実施の形態１の効果説明のためのシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態３の効果を説明するために示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる光変調装置の回路図である。 本発明の実施の形態６にかかる光変調装置の回路図である。 本発明の実施の形態７にかかる光変調装置の効果を説明するための図である。

符号の説明

１ 半導体光変調素子
１ａ 電極
２ ワイヤ
３ ワイヤ
４ 出力側線路
５ 抵抗
６ ワイヤ
７ 容量素子
８ ワイヤ
９ インダクタ素子
２０ 入力側線路
３０、３２ 基板

Claims (5)

1. 電極を備え、この電極へ印加される電気信号に応じて光変調を行う電界吸収型の光変調素子と、
   前記電極と接続し、外部から電気信号の入力を受けて該電極に該電気信号を供給することができる第１信号線路と、
   前記電極と接続する第２信号線路と、
   前記電極と接続した部位とは異なる部位において前記第２信号線路と直列に接続し、該第２信号線路と異なるインピーダンスを備えた抵抗素子と、
   を備え、
   前記第２信号線路が第１の基板に、前記抵抗素子が前記第１の基板とは異なる第２の基板に、それぞれ形成されており、
   前記第２信号線路と前記抵抗素子とを接続する第１ワイヤと、
   前記第１ワイヤに対して並列に接続する容量素子と、を備え、
   前記第１ワイヤのインダクタンスL、前記容量素子の容量C、前記抵抗素子の抵抗値をRとしたときに、R=(L/C)^0.5を満たすことを特徴とする光変調装置。
2. 前記第２信号線路のインピーダンスと前記抵抗素子のインピーダンスとが、前記抵抗素子における反射率の大きさが５％以上となる程度に相違することを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
3. 前記光変調素子と前記抵抗素子との間の電気長が、ビットレートの周波数に対応する波長の１／４以下の長さであることを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
4. 前記光変調素子の前記電極と、前記第２信号線路とが、第２ワイヤによって接続されており、
   前記光変調素子の前記電極と前記第２信号線路との間に挿入され前記第２ワイヤと直列接続するインダクタ素子を、更に備え、
   前記第２ワイヤおよび前記インダクタ素子で直列回路が構成され、
   前記直列回路の一端が前記電極と接続し、前記直列回路の他端が前記第２信号線路と接続し、
   前記第２ワイヤおよび前記インダクタ素子の間の接続点には、他の回路要素が接続されていないことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
5. 群遅延特性を有する光変調装置を製造する製造方法において、
   電極を備え、この電極へ印加される電気信号に応じて光変調を行う電界吸収型の光変調素子を準備し、
   前記電極と接続し、外部から電気信号の入力を受けて該電極に該電気信号を供給することができる第１信号線路を形成し、
   前記電極と接続した第２信号線路を形成し、
   前記電極と接続した部位とは異なる部位において前記第２信号線路と直列に接続し、該第２信号線路と異なるインピーダンスを備えた抵抗素子を形成する光変調装置の製造方法であって、
   前記抵抗素子の抵抗値をＲとし、前記第２信号線路の長さをＬとし、前記第２信号線路のインピーダンスをＺｌとし、前記第２信号線路の信号の周波数をｆとし、前記第１信号線路および前記第２信号線路での信号速度をｃ´とした場合に、
   Ｇｄ ＝ Ｔａｎ^−１｛ρ×Ｓｉｎ（φ）｝／｛１＋ρ×Ｃｏｓ（φ）｝
   φ ＝ Ｌ×（ｆ／ｃ´）×２π
   ρ ＝ −（Ｚｌ−Ｒ）／（Ｚｌ＋Ｒ）
   で定まるＧｄが前記群遅延特性と一致するように定めた長さLを有するように前記第２信号線路を形成し、かつＧｄが前記群遅延特性と一致するように定めた抵抗値Rを有するように前記抵抗素子を形成することを特徴とする光変調装置の製造方法。

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