JP5421963B2 - 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１００をとり上げ、その模式的な上面図を図４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５に図４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、電気的端点Ａからバイアス電圧を印加する。

図６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６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。図４に示した従来技術の電気的終端８のコンデンサー以外の部分に対応する抵抗部Ｉについてその拡大図を図７に示す。ここで、２１は電気的終端用基板、２２は電気的終端用中心導体、２３は電気的終端用接地導体である。２５は電気的終端用中心導体２２に伝搬した高周波電気信号である。

この高周波電気信号２５の多くは、電気的終端用中心導体２２と電気的終端用接地導体２３との間に設けられた抵抗膜２４ａ、２４ｂに伝搬し、そこでジュール熱に変換される。図７では抵抗膜２４ａ、２４ｂに伝搬した高周波電気信号を２６ａ、２６ｂとして示している。

ところが、図７に示した従来技術では高周波電気信号２５の一部が漏れた高周波電気信号４１として電気的終端用中心導体２２の端部２２ａで反射し、反射戻り信号２７としてドライバー４まで戻ることになる。このように、漏れた高周波電気信号４１は電気的反射Ｓ_１１を劣化させてしまう。

図８にはドライバー４からＬＮ変調器モジュールを見た高周波電気信号の電気的反射Ｓ_１１の周波数依存性を示す。図８からこの従来技術では反射戻り信号４１に起因する電気的反射Ｓ_１１が周波数とともに著しく劣化していることがわかる。

特開２００３−２９５１３９号公報

以上のように、従来技術では電気的終端用中心導体に伝搬した高周波電気信号のうち、漏れた高周波電気信号が電気的終端用中心導体の端部で反射し、反射戻り信号としてドライバーまで戻り、ドライバーから光変調器モジュールを見た際の電気的反射Ｓ₁₁を劣化させることになる。そのため、これらの問題を解決して特性的に充分な電気的反射Ｓ₁₁を実現できる光変調器モジュール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、高周波電気信号の電気的反射Ｓ₁₁が小さ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に記載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、を有す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が一方端から入力される電気的終端用中心導体と、当該電気的終端用中心導体と抵抗膜を介して接続され、当該電気的終端用中心導体の前記一方端から他方端に向かって伝搬する前記高周波電気信号の伝搬方向に沿って当該電気的終端用中心導体の両側に形成される電気的終端用接地導体とを備え、前記抵抗膜は、前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号の前記伝搬方向に沿って複数個形成されており、これにより前記電気的終端用中心導体の前記他方端における前記高周波電気信号の反射を抑制することを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載の光変調器モジュールは、前記抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向における両側の略対称位置に形成されていることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載の光変調器モジュールは、請求項１または２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、電気的終端からドライバーへの高周波電気信号の戻り量を著しく小さくできるので、結果良好な電気的反射Ｓ₁₁を実現することができる。

本発明に係る光変調器モジュールの電気的終端の一部を示す図 本発明の効果を説明する図 本発明に係る光変調器モジュールの第２の実施形態を示す図 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 従来技術に係る光変調器モジュールの電気的終端の一部を示す図 従来技術の問題点を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図４〜図７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、本発明における実施形態のＬＮ光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部についてその模式的な上面図を示す。ここで、従来と同様の抵抗膜２４ａ’、２４ｂ’に加え、新たに抵抗膜２８ａ、２８ｂを設けている。なお、抵抗膜２４ａ’、２４ｂ’、２８ａ、２８ｂの材料は、例えばニクロムや窒化タンタルなどをあげることができるが、その他の材料でも良いことは言うまでもない。

電気的終端用中心導体２２に高周波電気信号３０が入射すると、図６に示した従来技術と同様にその大部分は抵抗膜２４ａ’、２４ｂ’を伝搬することによりジュール熱に変換されるが、漏れた高周波電気信号４１は、本発明において新たに設けられた抵抗膜２８ａ、２８ｂを伝搬することにより、さらにジュール熱に変換される。なお、図１では抵抗膜２４ａ’、２４ｂ’に伝搬した高周波電気信号を２６ａ、２６ｂとして、また抵抗膜２８ａ、２８ｂに伝搬した高周波電気信号を２９ａ、２９ｂとして示している。

従って、本発明では電気的終端用中心導体２２の端部２２ａによる電気的反射がほとんど生じないので、図２に示すように、不図示のドライバーから不図示のＬＮ変調器モジュールを見た際に良好な電気的反射Ｓ_１１特性を実現できる。

なお、図１に示した実施形態では抵抗膜が２４ａ’、２４ｂ’と２８ａ、２８ｂの２段構成であるが、３段以上の構成でも良く、それらの構成をとることにより、特性がより改善されることは言うまでもない。

［第２の実施形態］
図３に、本発明における実施形態のＬＮ光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、第１の実施形態の変形形態を示す。

この第２の実施形態においては、抵抗膜２８ｃが電気的終端用中心導体２２に対して一方側のみに設けられており、この抵抗膜２８ｃを高周波電気信号２９ｃが伝搬するようになっている。抵抗膜２８ｃの電気的終端用中心導体２２に沿う方向の幅は、インピーダンス整合のために第１の実施形態の抵抗膜２８ｂの幅の略２倍の大きさとなっている。

この変形態様においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［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（筐体）
８：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：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
２１：電気的終端用基板
２２：電気的終端用中心導体
２２ａ：電気的終端用中心導体２２の端部
２３：電気的終端用接地導体
２４ａ、２４ｂ、２４ａ’、２４ｂ’、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ：抵抗膜
２５、２６ａ、２６ｂ：高周波電気信号
２７：反射戻り信号
４１：漏れた高周波電気信号
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ：伝搬する漏れた高周波電気信号４１
５０：ＬＮ光変調器
１００：ＬＮ光変調器モジュール

Claims (3)

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、を有す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が一方端から入力される電気的終端用中心導体と、
   当該電気的終端用中心導体と抵抗膜を介して接続され、当該電気的終端用中心導体の前記一方端から他方端に向かって伝搬する前記高周波電気信号の伝搬方向に沿って当該電気的終端用中心導体の両側に形成される電気的終端用接地導体とを備え、
   前記抵抗膜は、前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号の前記伝搬方向に沿って複数個形成されており、これにより前記電気的終端用中心導体の前記他方端における前記高周波電気信号の反射を抑制することを特徴とする光変調器モジュール。
2. 前記抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向における両側の略対称位置に形成されてい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. 前記基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器モジュール。

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