JP5532038B2

JP5532038B2 - 光変調器

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Publication number: JP5532038B2
Application number: JP2011219229A
Authority: JP
Inventors: 剛人田中; 正治土居
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP2012032827A

Description

本発明は、電気光学効果を利用して光の強度または位相を変調する光変調器に関し、特に、光応答の周波数特性を平坦化するための電気フィルタ回路を備えた光変調器に関する。

従来の光変調器は、例えば図１１に示すように、電気光学効果を有する基板１００に、マッハツェンダ（Mach-Zehnder）型の光導波路１０１と、該光導波路１０１の平行な２本のアーム部１０１Ａ，１０１Ｂを伝播する各光の相対的な位相を制御するための電気導波路（進行波電極）１０２とを形成し、駆動回路１１０から供給される変調電気信号Ｓを電気導波路１０２の一端に印加することで光導波路１０１の一方のアーム部１０１Ａの屈折率を制御し、各アーム部１０１Ａ，１０１Ｂ間の光路長差を変化させることにより入力光Ｌ_ＩＮの光変調を実現している。この従来の光変調器では、電気導波路１０２の他端が抵抗Ｒ_Ｔにより終端されており、また、各アーム部１０１Ａ，１０１Ｂ間の相対的な位相シフト量を制御するＤＣバイアスＶ_Ｂがバイアスティ回路１２０を介して電気導波路１０２の他端に印加されている。このような電気光学効果を利用した従来の光変調器は、例えば高速長距離光通信を行う光伝送システムなどに用いられている。

上記のような従来の光変調器について、より好ましい状態で変調された出力光Ｌ_ＯＵＴを得るためには、変調電気信号に含まれる周波数領域において、光変調器の光応答帯域の平坦性が要求される。しかし、適切な光変調を実現するために必要な駆動電圧と光応答帯域とはトレードオフの関係にある。そこで、駆動電圧の上昇を抑え、かつ、光応答帯域の広帯域化を実現するための従来技術の１つとして、例えば、変調効率の周波数依存性を補償するフィルタ回路を用いた構成が公知である（例えば、特許文献１参照）。

図１２は、上記フィルタ回路を用いた従来の光変調器の構成例を示した図である。この光変調器では、例えばコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１を並列に接続したフィルタ回路１３０が、駆動回路１１０と電気導波路１０２の一端との間に挿入されている。コンデンサＣ１および抵抗Ｒ１としては、通常、チップコンデンサおよび薄膜抵抗、若しくは、チップコンデンサおよびチップ抵抗が用いられる。

図１３は、従来の光変調器における電気回路の反射係数（Ｓ１１）の周波数特性および光応答（Optical Response）の周波数特性を例示したものであって、上段が図１１の構成に対応したフィルタ回路なしの場合、下段が図１２の構成に対応したフィルタ回路ありの場合である。なお、ここでは５０Ω系の駆動回路１１０を１０Ｇｂｐｓのビットレートで使用し、終端抵抗Ｒ_Ｔおよび電気導波路１０２の特性インピーダンスＺを上記駆動回路１１０のインピーダンスに一致させて５０Ωにそれぞれ設定している。

フィルタ回路なしの光変調器において、高速動作および低電圧動作を実現するためには、進行波電極１０２の長さを十分に長くする必要があるが、そのような進行波電極１０２では表皮効果に起因するマイクロ波の減衰の影響により、図１３上段の右側に示すように平坦な光応答特性を実現することが難しくなる。そこで、フィルタ回路１３０を用いて変調電気信号Ｓの低周波成分を減衰させることにより、図１３下段の右側に示すように所要の周波数帯域（例えば、一般的なＮＲＺ変調ではビットレートの半分強以下の周波数帯域）における光応答特性の平坦性が改善される、すなわち、広い光応答帯域が実現されるようになる。

特開２００２−２８７１０３号公報

しかしながら、上記図１２に示したような従来の光変調器では、低周波成分を減衰させる透過特性を持つフィルタ回路１３０を設けたことにより、低周波領域における電気回路全体のインピーダンスの上昇を招き、図１３下段の左側に示すように電気反射特性（Ｓ１１）の劣化を引き起こしてしまう。この電気反射特性の劣化により、例えば駆動回路１１０とフィルタ回路１３０の間での電気信号の多重反射が生じるようになり、光変調動作に悪影響を及ぼしてしまうという問題があった。

このような低周波領域における電気反射特性の劣化に対して、上記の従来技術では、例えば図１４に示すようにコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１の並列回路にシャント抵抗Ｒ_Ｓを接続して定抵抗フィルタ回路１３０’を形成することで、低周波領域でのＳ１１を小さくする構成が示されている。しかし、このような定抵抗フィルタ回路１３０’は構成が複雑化することに加えて次のような問題が発生する。

すなわち、電気光学効果を利用した光変調器の駆動においては、前述したようにＤＣバイアスＶ_Ｂを電気導波路１０２に印加する必要があるが、上記の定抵抗フィルタ回路１３０’を挿入した場合、シャント抵抗Ｒ_Ｓの存在によりＤＣバイアスＶ_Ｂを電気導波路１０２に効率的に印加することができなくなる。このため、図１４に示した構成例では、変調電気信号Ｓ’が印加される電気導波路１０２とは別に独立させて、ＤＣバイアスＶ_Ｂを印加するための電極１０２’を基板１００上に形成している。したがって、光変調器のサイズが大きくなってしまうという問題が発生する。

また、上述した従来の光変調器では、フィルタ回路１３０，１３０’の構成部品としてチップコンデンサやチップ抵抗などが用いられるため、高周波での特性劣化や、チップ部品の実装等の製造性の悪化、フィルタ回路の大型化などを招くという欠点もある。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、光応答の周波数特性を平坦化するために変調電気信号に対して電気フィルタ回路を適用した場合でも、低周波領域における電気反射特性の劣化を簡略な回路構成により確実に抑えることのできる小型の光変調器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため本発明の一態様は、電気光学効果を有する基板と、光導波路と、該光導波路の少なくとも一部に沿った電気導波路を有する光変調手段と、変調電気信号を生成する駆動手段と、前記電気導波路の一端および前記駆動手段の間に電気的に接続され、前記駆動手段から出力される変調電気信号を前記電気導波路の一端に導く電気線路および該電気線路上に挿入された電気フィルタ回路を有する中継手段と、前記電気導波路を伝播して他端から出力される前記変調電気信号を終端する終端手段と、を備えた光変調器であって、前記電気導波路の一端は、接地電位に対して開放されており、前記電気フィルタ回路のインピーダンスと前記終端手段のインピーダンスとの和が前記駆動手段のインピーダンスに略等しく、かつ、前記終端手段のインピーダンスと前記電気導波路の特性インピーダンスとが略等しいことを特徴とする。

上記のような構成の光変調器では、駆動手段から出力される変調電気信号が、光変調手段の電気導波路の一端との間に電気的に接続された中継手段を介して、該光変調手段の電気導波路の一端に導かれる。光変調手段では、電気導波路の一端に与えられた変調電気信号に基づく電気光学効果により光導波路の屈折率が制御され、該光導波路を伝播する光が変調される。この光変調動作において、電気導波路の一端に与えられる変調電気信号は、中継手段の電気線路上に設けられた電気フィルタ回路で処理されているため、前述した従来の場合と同様に、光変調手段における光応答の周波数特性が平坦化される。また、これと同時に、電気フィルタ回路のインピーダンスと終端手段のインピーダンスとの和が駆動手段のインピーダンスに略等しく、言い換えると、電気フィルタ回路のインピーダンスに応じて終端手段のインピーダンスを駆動手段のインピーダンスよりも小さく設定し、かつ、終端手段のインピーダンスと電気導波路の特性インピーダンスとが略等しくなるように設計を行うことで、従来問題となっていた低周波領域における電気反射特性の劣化が低減されるようになる。さらに、電気導波路の一端が接地電位に対して開放されていることで、前述の図１４に示したシャント抵抗Ｒ_Ｓを接続する構成とは異なり、電気導波路の他端にＤＣバイアスを印加することができるので、光変調器の小型化を図ることが可能になる。

このように本発明によれば、電気フィルタ回路を適用して光応答の周波数特性を平坦に保ちつつ、低周波領域における電気反射特性を改善することのできる簡略な構成で小型の光変調器を実現することが可能になる。

本発明による光変調器の一実施形態を示す構成図である。上記実施形態に用いられる中継基板の具体的な構成例を示す図である。上記実施形態に用いられる中継基板の他の具体的な構成例を示す図である。上記実施形態に用いられる中継基板の別の具体的な構成例を示す図である。上記実施形態に用いられるフィルタ回路の電気透過特性の一例を示す図である。上記実施形態において終端抵抗および電気導波路のインピーダンスを４５Ωとした場合の電気反射特性および光応答特性の一例を示す図である。上記実施形態において終端抵抗および電気導波路のインピーダンスを４０Ωとした場合の電気反射特性および光応答特性の一例を示す図である。上記実施形態において終端抵抗および電気導波路のインピーダンスを３５Ωとした場合の電気反射特性および光応答特性の一例を示す図である。上記実施形態において終端抵抗および電気導波路のインピーダンスを３０Ωとした場合の電気反射特性および光応答特性の一例を示す図である。上記実施形態に関連して本発明を位相変調器に適用したときの構成例を示す図である。従来の光変調器の一例を示す構成図である。光応答特性の平坦化のために電気フィルタ回路を適用した従来の光変調器の一例を示す構成図である。従来の光変調器の電気反射特性および光応答特性の一例を示す図である。電気フィルタ回路にシャント抵抗を設けた従来の光変調器の一例を示す構成図である。

以下、本発明の光変調器を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明による光変調器の一実施形態を示す構成図である。
図１において本光変調器は、例えば、光変調手段としての光導波路１１および電気導波路１２が形成された基板１０と、変調電気信号Ｓを発生する駆動手段としての駆動回路２０と、基板１０上の電気導波路１２に駆動回路２０から出力される変調電気信号Ｓを導くための中継手段としての中継基板３０と、電気導波路１２の伝播した電気信号を終端する終端基板４０と、を備えて構成される。

基板１０は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の電気光学効果を有する材料が用いられ、その表面若しくは内部にマッハツェンダ型の光導波路１１が形成されている。光導波路１１は、基板１０の一端面から入力される連続光Ｌ_ＩＮを２つに分岐する光分岐部１１Ａと、該光分岐部１１Ａで２分岐された各光がそれぞれ与えられる平行な２本のアーム部１１Ｂ，１１Ｃと、各アーム部１１Ｂ，１１Ｃを伝播した光を合波して基板１０の他端面から出力する光合波部１１Ｄと、を有する。この光導波路１１の一方のアーム部１１Ｂ上には電気導波路（進行波電極）１２が形成されている。電気導波路１２は、光入力側に位置する一端と中継基板３０とが電気的に接続され、光出力側に位置する他端と終端基板４０とが電気的に接続されている。この電気導波路１２の特性インピーダンスＺは、終端基板４０上に設けられた後述する終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値と略等しくなるように予め設計されている。

駆動回路２０は、例えば発振器ＯＳおよびコンデンサＣ２を有し、所要の変調方式およびビットレートに対応した変調電気信号Ｓを発生し、該変調電気信号Ｓを中継基板３０に出力する。この駆動回路２０は、例えば５０Ω等のインピーダンスを有するものとする。ただし、本発明における駆動回路２０のインピーダンスは５０Ωに限定されるものではなく、任意のインピーダンスを有する駆動回路を用いることが可能である。

中継基板３０は、駆動回路２０から出力される変調電気信号Ｓの低周波成分を減衰させることが可能な電気フィルタ回路を備えており、該電気フィルタ回路を通過した変調電気信号Ｓ’が基板１０上の電気導波路１２の一端に与えられる。この中継基板３０は、具体的には例えば、セラミック基板上にマイクロストリップ線路またはコプレナー線路等の電気線路を形成し、さらに、その電気線路の途中に設けた信号電極上にコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１を形成してＣ，Ｒの並列フィルタ回路を構成する。コンデンサＣ１の容量および抵抗Ｒ１の抵抗値は、上述の図１２に示した従来技術の場合と同様に、変調電気信号のビットレートに応じて設定される周波数帯域において光応答特性が平坦化されるように予め決定されている。

図２〜図４は、上記中継基板３０の具体的な構成例を列挙したものである。
図２に示す中継基板３０Ａは、例えば、セラミック基板３１上に形成された帯状の電気線路３２の途中にＴｉ_２Ｎ等の薄膜抵抗３３が形成され、この薄膜抵抗３３が図１に示した並列フィルタ回路の抵抗Ｒ１となる。また、薄膜抵抗３３の一端に隣接する電気線路３２の一部および薄膜抵抗３３上にＳｉＯ_２等の絶縁膜３４が形成され、さらに、絶縁膜３４の上面には、薄膜抵抗３３の他端に隣接する電気線路３２に短絡された金（Ａｕ）電極３５が形成され、絶縁膜３４を電気線路３２および金電極３５の間で挟み込むことで、図１に示した並列フィルタ回路のコンデンサＣ１が構成される。このようにして構成されたＣ，Ｒの並列フィルタ回路は、従来のチップ部品を用いた構成と比べて、簡単に製造でき、かつ、優れた高周波特性を実現することが可能である。ただし、薄膜抵抗３３と絶縁膜３４上に形成された金電極３５との間に容量性結合が生じ、理想的なＣ，Ｒの並列フィルタ回路より特性がずれる可能性がある点に注意を要する。

図３に示す中継基板３０Ｂは、上記の容量性結合を低減するために、図２の構成における薄膜抵抗３３を２つの部分に分け、金電極３５の下方に位置する部分には薄膜抵抗が形成されないようにした応用例である。この中継基板３０Ｂでは、絶縁膜３４が電気線路３２上にのみ形成され、該絶縁膜３４の上面に形成される金電極３５が基板３１上を通って電気線路３２に短絡されている。このような構成によれば、理想的なＣ，Ｒの並列フィルタ回路に近い特性を得ることができるようになる。ただし、薄膜抵抗３３の抵抗値を下げ難いため、Ｃ，Ｒの並列フィルタ回路の設計自由度が低いという欠点がある。

図４に示す中継基板３０Ｃは、図２の構成について、薄膜抵抗３３の一端に隣接する電気線路３２の一部の上にのみ絶縁膜３４を形成し、薄膜抵抗３３上には絶縁膜３４を形成しないようにした応用例である。このような構成によれば、薄膜抵抗３３の抵抗値の設計自由度を保ちつつ、前述した容量性結合を低減して理想的なＣ，Ｒの並列フィルタ回路に近い特性を得ることができるようになる。

終端基板４０は、基板１０上の電気導波路１２を伝播した変調電気信号Ｓ’を終端する終端手段としての終端抵抗Ｒ_Ｔと、直流電源から供給されるＤＣバイアスＶ_Ｂを電気導波路１２に印加するための抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ３からなるバイアスティ回路とが形成されている。終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値は、中継基板３０上に形成された電気フィルタ回路のインピーダンスとの和が、駆動回路２０のインピーダンスに略等しくなるように予め設計されている。すなわち、終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値は、電気フィルタ回路のインピーダンスの設計値に応じて、駆動回路２０のインピーダンスよりも小さくなるように設定される。この終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値は、前述したように基板１０上に形成される電気導波路１２の特性インピーダンスＺの設計基準値となり、好ましくは、終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値と電気導波路１２の特性インピーダンスＺとが等しくなるように、電気導波路１２の設計が行われる。

次に、本実施形態の動作について説明する。
上記のような構成の光変調器では、基板１０上の光導波路１１の一端に与えられた入力光Ｌ_ＩＮが光分岐部１１Ａで２分岐されて各アーム部１１Ｂ，１１Ｃにそれぞれ送られる。各アーム部１１Ｂ，１１Ｃを伝播する光は、電気導波路１２に印加される変調電気信号Ｓ’に応じてアーム部１１Ｂの屈折率が変化することで相対的な位相が制御されて光合波部１１Ｄで合波される。これにより、変調電気信号Ｓ’に従って強度変調された出力光Ｌ_ＯＵＴが光導波路１１の他端から出力される。

このような光変調動作において、電気導波路１２に印加される変調電気信号Ｓ’は、例えば図５に示すような電気透過特性（Ｓ２１）を有する電気フィルタ回路により、駆動回路２０から出力される変調電気信号Ｓの低周波成分を減衰させた信号となっているため、所要の周波数帯域について平坦化された光応答特性が得られるようになる。なお、図５の透過特性は、１０Ｇｂｐｓの変調電気信号Ｓに対して適用されるＣ，Ｒの並列フィルタ回路の一例を示したものであり、本発明に用いられる電気フィルタ回路の透過特性は上記の一例に限定されるものではない。

また、Ｃ，Ｒの並列フィルタ回路のインピーダンスと終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値との和が駆動回路２０のインピーダンス（例えば５０Ω）に略等しくなるように、終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値を従来設定の５０Ωよりも下げ、かつ、該終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値と略等しくなるように電気導波路１２の特性インピーダンスＺを設計しておくことにより、従来問題となっていた低周波領域における電気反射特性の劣化が改善されるようになる。

図６〜図９は、終端抵抗Ｒ_Ｔおよび電気導波路１２のインピーダンスＺの具体的な設計値に対応させて、周波数に対する電気反射特性（Ｓ１１）および光応答特性をそれぞれ例示したものである。なお、ここでは、５０Ω系の駆動回路２０を１０Ｇｂｐｓのビットレートで使用し、並列フィルタ回路のコンデンサＣ１を３ｐＦ、抵抗Ｒ１を２０Ωに設定している。

終端抵抗Ｒ_Ｔおよび電気導波路１２のインピーダンスＺを４５Ωに設定した図６の特性、４０Ωに設定した図７の特性、３５Ωに設定した図８の特性、３０Ωに設定した図９の特性それぞれについて、上述の図１３下段に示した従来構成（Ｒ_Ｔ＝Ｚ＝５０Ω）の場合と比較すると、光応答の周波数特性を平坦に保ちつつ、低周波領域における電気反射特性が改善されていることが分かる。よって、上記のような設定条件では終端抵抗Ｒ_Ｔおよび電気導波路１２のインピーダンスＺを概ね３０〜４５Ωの範囲内に設定することにより、良好な光応答特性および電気反射特性の両立が可能となる。

このように本実施形態の光変調器によれば、駆動回路２０から出力される変調電気信号Ｓを中継基板３０上に形成した電気フィルタ回路により低周波成分を減衰させた変調電気信号Ｓ’とし、その変調電気信号Ｓ’を基板１０上の電気導波路１２に与えることで、光応答の周波数特性の平坦化を実現することができると共に、電気フィルタ回路のインピーダンスに応じて終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値を駆動回路２０のインピーダンスよりも小さくし、かつ、終端抵抗Ｒ_Ｔの抵抗値に略等しくなるように電気導波路１２の特性インピーダンスＺを設定したことで、低周波領域における電気反射特性の改善を図ることが可能になる。また、上述の図１４に示したシャント抵抗Ｒ_Ｓを用いる場合とは異なり、変調電気信号Ｓ’が伝播する電気導波路１２に対してＤＣバイアスＶ_Ｂを印加することができるので、光変調器の小型化を図ることが可能である。さらに、図２〜図４に示したような構成を適用することにより、優れた高周波特性および良好な製造性を有する小型のフィルタ回路を実現できる。

なお、上述した実施形態では、電気光学効果を有する基板上に形成されたマッハツェンダ型光導波路の一方のアーム部に対して電気導波路を設けた構成例を示したが、双方のアーム部に対して電気導波路をそれぞれ設ける構成についても、上述した実施形態の場合と同様にして本発明を適用することが可能である。また、マッハツェンダ型光導波路を用いて入力光Ｌ_ＩＮを強度変調する場合を示したが、例えば図１０に示すように、電気光学効果を有する基板上に形成された１本の光導波路１１’に沿って電気導波路１２’を形成して入力光Ｌ_ＩＮを位相変調する構成についても本発明は有効である。

さらに、上述した実施形態では、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ１からなる並列フィルタ回路を用いて変調電気信号Ｓの低周波成分を減衰させる一例を示したが、本発明に適用される電気フィルタ回路は上記の一例に限らず、光応答の周波数特性の平坦化に有効な公知の構成の電気フィルタ回路を適用することが可能である。

１０…基板
１１，１１’…光導波路
１１Ａ…光分岐部
１１Ｂ，１１Ｃ…アーム部
１１Ｄ…光合波部
１２，１２’…電気導波路
２０…駆動回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…中継基板
３１…セラミック基板
３２…電気線路
３３…薄膜抵抗
３４…絶縁膜
３５…金電極
４０…終端基板
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２…抵抗
Ｒ_Ｔ…終端抵抗
Ｌ_ＩＮ…入力光
Ｌ_ＯＵＴ…出力光
Ｓ，Ｓ’…変調電気信号
Ｖ_Ｂ…ＤＣバイアス
Ｚ…特性インピーダンス

Claims

電気光学効果を有する基板と、
光導波路と、該光導波路の少なくとも一部に沿った電気導波路を有する光変調手段と、
変調電気信号を生成する駆動手段と、
前記電気導波路の一端および前記駆動手段の間に電気的に接続され、前記駆動手段から出力される変調電気信号を前記電気導波路の一端に導く電気線路および該電気線路上に挿入された電気フィルタ回路を有する中継手段と、
前記電気導波路を伝播して他端から出力される前記変調電気信号を終端する終端手段と、を備えた光変調器であって、
前記電気導波路の一端と前記電気フィルタ回路とを接続する前記電気線路は、接地電位に対して開放されており、
前記電気フィルタ回路のインピーダンスと前記終端手段のインピーダンスとの和が前記駆動手段のインピーダンスに略等しく、かつ、前記電気フィルタ回路のインピーダンスに応じて前記終端手段のインピーダンスを前記駆動手段のインピーダンスよりも小さく設定し、かつ、前記終端手段のインピーダンスと前記電気導波路の特性インピーダンスとが略等しいことを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器であって、
前記電気フィルタ回路は、前記駆動手段から出力される変調電気信号の低周波側の成分を減衰させることを特徴とする光変調器。
請求項１または２に記載の光変調器であって、
前記電気フィルタ回路は、コンデンサおよび抵抗が並列に接続されたフィルタ回路であることを特徴とする光変調器。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光変調器であって、
直流電源から供給されるＤＣバイアスを前記電気導波路の他端に印加するバイアスティ回路をさらに備えることを特徴とする光変調器。