JP5966828B2

JP5966828B2 - 光変調器

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Publication number: JP5966828B2
Application number: JP2012218295A
Authority: JP
Inventors: 悠中田; 徳一宮崎
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP2014071352A

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、変調電極に高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣ電圧とが共通に印加される光変調器に関する。

近年、高速光通信や光計測などに際し、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の電気光学効果を有する基板を用いた光変調器が多用されている。また、光変調器では、変調器の動作点を最適値に設定するためにＤＣバイアス電圧を印加することが行われている。

例えば特許文献１においては、マッハツェンダ型の光導波路を有する光変調器において、変調信号である高周波（ＲＦ）信号を印加している変調電極に、さらにＤＣ電圧を印加して変調動作点のバイアスを制御している。

また、光変調器の基板に上記のようなＬＮ等の１次の電気光学効果を有する材料を用いた場合には、印加するＤＣ電圧による電力消費を防ぐために、変調電極の入出力部にそれぞれＤＣをカットするコンデンサ（ＤＣカットコンデンサ）を配置することも一般的になっている。

さらに、近年においては通信容量の増大及び通信速度の高速化に伴い、光変調器に要求される周波数応答が広帯域化しており、この周波数応答の特性を調整するために、例えば特許文献２では、光変調器の入力部に周波数応答特性を補正するイコライザを配置している。

上記通信速度の高速化に関し、４０Ｇｂｐｓ等高速の通信速度では、コンデンサ等の電気部品は高周波対応した小型化部品を選択する必要がある。一方、小型化した部品、特にコンデンサは耐電圧が低くなるため、結果として光変調器に印加できるバイアス電圧も低くなる。

このように、光変調器に印加できるバイアス電圧が低くなると、光変調器のバイアス制御可能な期間が短くなり、装置の動作寿命の短縮に繋がるという問題がある。

また、以前は光変調器及びその周辺回路はディスクリート部品で構成されており、ＤＣカットコンデンサに、必要以上の電圧が印加するような事態は起こらなかったが、近年は各部品の表面実装化が進み回路構成が簡素化され、バイアス電圧及びドライバからのＤＣ電圧の双方の電圧がコンデンサに印加されるようになってきている。つまり、変調電極には、ＤＣバイアス電圧だけでなく、高周波変調信号を増幅する駆動ドライバのＤＣ電圧も併せて印加される。

上記のように小型化したコンデンサは耐電圧が低いため、必要以上の電圧が加わることは好ましくない。特に、バイアス電圧及びドライバからのＤＣ電圧が異符号であるような場合には、その電位差分がコンデンサに印加されることになるため、コンデンサの耐電圧に対して、装置全体の動作条件がより厳しいものとなってしまうという問題がある。

特開２００３−２９５１３９号公報特開２００８−８３４４９号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、変調電極に高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣ電圧とが共通に印加される光変調器において、バイアス制御電圧が大きく、動作寿命をより長く確保することのできる光変調器を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光変調器は、以下の技術的特徴を有する。
（１）電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極の少なくとも一部には、４０Ｇｂｐｓ以上、シンボルレートで２０Ｇｂａｕｄ以上の高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣバイアス電圧とが共通に印加され、該高周波変調信号を該変調電極に供給する変調信号供給手段と、該変調電極の入力部との間には、少なくとも２つ以上のコンデンサが直列に接続配置され、該高周波変調信号の供給に伴うＤＣ電圧と、該ＤＣバイアス電圧とによって生じる電位差を該コンデンサが分圧していることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光変調器において、高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣバイアス電圧とが共通に印加される変調電極が複数存在し、当該変調電極毎に対応して前記直列に接続配置されたコンデンサが設けられていることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、前記直列に接続配置されたコンデンサ間の内少なくとも１か所は、抵抗素子を介して接地されていることを特徴とする。

（４）上記（３）に記載の光変調器において、該抵抗素子は１ｋΩ以上の抵抗値を有することを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光変調器において、該変調信号供給手段と該変調電極の入力部との間には、周波数応答特性を調整するためのイコライザ回路が配置されていることを特徴とする。

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光変調器において、前記直列に接続配置されたコンデンサの内少なくとも１つは、該基板の近傍に設けられた中継基板に配置されていることを特徴とする。

本発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極の少なくとも一部には、高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣバイアス電圧とが共通に印加され、該高周波変調信号を該変調電極に供給する変調信号供給手段と、該変調電極の入力部との間には、少なくとも２つ以上のコンデンサが直列に接続配置され、該高周波変調信号の供給に伴うＤＣ電圧と、該ＤＣバイアス電圧とによって生じる電位差を該コンデンサが分圧しているため、個々のコンデンサの耐電圧以上の電圧をバイアス電圧として光変調器に印加することができ、コンデンサに要求される耐電圧を低くできる。このように、光変調器に高いバイアス電圧を印加できるようになり、光変調器の動作寿命をより長く確保することが可能になる。

本発明の第一の実施例に係る光変調器を説明する図である。図１に示した本発明の第一の実施例に係る光変調器の変形例を説明する図である。本発明の光変調器に用いる電気回路の一例を説明する図である。本発明の第二の実施例に係る光変調器を説明する図である。本発明の第三の実施例に係る光変調器を説明する図である。

以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の第一の実施例に係る光変調器を説明する図であり、図２は図１に示した光変調器の変形例を説明する図である。本発明の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、該変調電極の少なくとも一部には、高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣバイアス電圧とが共通に印加され、該高周波変調信号を該変調電極に供給する変調信号供給手段(信号源と駆動ドライバ）と、該変調電極の入力部との間には、少なくとも２つ以上のコンデンサ（分圧用コンデンサ）が直列に接続配置され、該高周波変調信号の供給に伴うＤＣ電圧と、該ＤＣバイアス電圧とによって生じる電位差を該コンデンサが分圧していることを特徴とする。本発明の光変調器では、駆動ドライバなどの変調信号の増幅器で発生するＤＣ電圧など高周波変調信号の供給に伴うＤＣ電圧やＤＣバイアス電圧による電力消費をカットするＤＣカットコンデンサとして、上述の２つ以上の分圧用コンデンサが機能している。

電気光学効果を有する基板は、例えばニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）等から構成され、これら各単結晶材料やこれらの固溶体結晶材料を用いることができる。

基板に形成する光導波路は、例えば、基板上にチタン等を堆積させた後、熱拡散させて形成することが可能である。また、基板に凹凸を形成し、リッジ型又はリブ型の光導波路を形成することも可能である。光導波路に近接して電極が形成されるが、例えばＺカットの基板を用いて、光導波路の直上に電極を形成する場合などは、光導波路を伝播する光波の電極層への吸収を抑制するため、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などからなるバッファ層を、光導波路上又は基板上に形成することが可能である。

変調電極は、金などの導電性金属から形成されている。そして通常は信号電極と接地電極とから構成される。本発明の光変調器においては、変調電極の少なくとも一部の電極（信号電極）に、高周波変調信号及びバイアス制御のためのＤＣバイアス電圧が印加される。このとき、変調電極に印加された高周波変調信号は、電気光学効果を有する基板の屈折率を変化させ、光導波路を伝播する光波を変調する。

光変調器は、連続的に駆動を行うと、温度変化や駆動に伴う電圧の印加などにより変調曲線の動作点がシフトするドリフト現象が発生する。この時の駆動電圧を最適値に設定するために、バイアス制御用のＤＣバイアス電圧を、変調電極の出力側からバイアス用抵抗を介して印加する。ＤＣバイアス電圧は、光変調器の変調状態に応じて可変調整される。また、特許文献１にも示しているように、変調電極の入力側に印加される高周波変調信号に、ＬＣ回路等からなるＢｉａｓＴを介在させて、ＤＣバイアス電圧を重畳して印加することも可能である。

本発明の特徴は、高周波変調信号を印加する変調電極の入力側に、ＤＣカットコンデンサとして２つ以上のコンデンサを直列に接続し、これらの複数のコンデンサによって、高周波変調信号の供給に伴うＤＣ電圧と、バイアス制御用のＤＣバイアス電圧とによって生じる電位差を分圧していることである。

バイアス制御用のＤＣバイアス電圧は、変調信号の電圧値によっても変動するが、光変調器を製造した初期の段階では０Ｖ〜数Ｖ程度であるが、光変調器は一般的に駆動開始してから時間が経過するに従って動作点が変化するドリフト現象が発生し、このドリフト現象によってバイアス電圧が１０Ｖ以上になってしまう場合がある。

すると、印加する変調電圧によっては変調信号とバイアス電圧との電位差が大きくなり、特に両者が異符号である場合にはその電位差が２０Ｖを超えるような場合もある。

一方、コンデンサの耐電圧は、既に述べた通り高周波変調信号に対応するため小型化等によって低下している。例えば変調信号として１０Ｇｂｐｓ程度のデジタル変調信号を利用する場合には、小型化したコンデンサを使う必要がなく、耐電圧が５０Ｖ程度のコンデンサを用いることが可能であるため、この程度の電位差であれば問題はない。

しかし、４０Ｇｂｐｓ以上、シンボルレートで２０Ｇｂａｕｄ以上の変調信号を利用する場合には、小型化したコンデンサを用いる必要があり、その耐電圧はおよそ１６Ｖ以下である。従って、このような場合にＤＣカットコンデンサを単独のコンデンサで構成すると、電位差が大きくなった場合に耐電圧以上の電圧がコンデンサに印加され、コンデンサが損傷を受ける恐れがある。

従って、本発明においては複数のコンデンサを直列に接続配置し、個々のコンデンサに耐電圧以上の電圧が印加されないようにしている。分圧のために用いるコンデンサとしては、容量は光変調器に印加される変調信号の周波数等によって適宜設定可能であるが、デジタル変調信号の低周波信号成分を劣化させないように１０ｎＦ以上のものを用いることが好ましい。また分圧コンデンサには等しい電圧がかかるようにすることが望ましい。従って分圧コンデンサには容量の等しいものを用いることが望ましく、例えばｎ個の容量が等しいコンデンサを用いれば分圧コンデンサにかかる電圧はそれぞれ１／ｎに分圧されるため耐電圧に対して損傷を受けるリスクが大きく改善される。

図１では、分圧用コンデンサを中継基板に配置している。基板の周辺に配置される電気回路を中継基板に集積して配置することにより、光変調器の製造組立を簡素化・効率化でき、また、回路部品の配置や配線をコンパクトにすることも可能となる。図１では、分圧用コンデンサのみを中継基板に配置しているが、後述の抵抗素子やイコライザ回路なども同じ中継基板に形成することも可能である。このような構成をとることにより、分圧コンデンサによる変調器サイズや光変調器の周波数応答特性への影響を低減することができ、小型で広帯域な耐圧特性に優れた変調器を構成できる。また、終端回路も中継基板に配置したり、あるいは、入力側の電気回路と出力側の電気回路とを同一の中継基板に配置することも可能である。基板や中継基板は、ＳＵＳ等の金属の筐体内に収容され、モジュール化されている。

図２は、図１の実施例の変形例であるが、ＤＣカットコンデンサを構成する複数の分圧用コンデンサは、図１のように複数のコンデンサの中の一部（図１においては２個中１個）を中継基板上に配置してもよいし、図２で示すように複数のコンデンサ（図２では２個）を中継基板上に配置してもよい。

図３は、本発明で用いる電気回路の一例を説明する図である。変調電極の入力側には、高周波変調信号が入力されており、変調電極に至るまでの間には、複数の分圧用コンデンサと、周波数応答特性を調整するためのイコライザが配置されている。

イコライザは、例えば抵抗ＲとコンデンサＣの並列回路で構成されている。イコライザを配置することによって、光変調器の周波数応答特性を広帯域に渡って改善し、例えば、フラットな周波数応答特性を得ることができる。

なお、図３で示すイコライザにはコンデンサＣ１が含まれているが、ＲＣ並列回路においては抵抗部分に電流が流れるため、コンデンサによってＤＣ電圧をカットできない。即ち、イコライザ中のコンデンサは本発明の分圧用コンデンサ（ＤＣカットコンデンサ）としては機能しない。

また、電気回路中の、バイアス制御のためのＤＣ電圧が入力される側には、抵抗Ｒ２及び接地されたコンデンサＣ２からなる終端回路が接続されている。これらの途中にＤＣバイアス用抵抗Ｒ３を介してバイアス電圧が印加されている。これらの構成は、特許文献１にも開示されている。なお、電気回路の構成は図３に示したものには限られず、適宜設計変更可能である。

次に、本発明の光変調器の第２の実施例について説明する。
図４は、本発明の光変調器の一実施例として、複数の分圧用コンデンサの間を、抵抗素子を介して接地している。

コンデンサ間を、抵抗素子を介して接地させることによって接地部分よりもドライバ側に配置されているコンデンサにはドライバからの駆動電圧が印加され、接地部分より変調電極側に配置されているコンデンサにはバイアス電圧が印加されるようになるため、それぞれのコンデンサに対する負荷電圧が容易に把握でき、各コンデンサの設計が容易になる。この際、変調信号の高周波成分が接地箇所から漏れないように、抵抗は１ｋΩ以上、より好ましくは１０ｋΩ以上の抵抗値を有するものを用いる。

図５は、本発明の光変調器の第３の実施例を説明する図であり、基板に複数の変調電極が形成され、各々の変調電極に対して、高周波変調信号とＤＣバイアス電圧が共に印加されている。このため、各変調電極の入力側に複数の分圧用コンデンサが直列に接続配置されている。

本実施例においては、基板上には複数のマッハツェンダ型光導波路が入れ子状に形成されたいわゆるネスト型の光導波路が形成されているが、これに限らず、複数の変調電極を有し、少なくとも２つ以上の変調電極については、各変調電極に高周波変調信号とＤＣバイアス電圧が共に印加されている場合には、第３の実施例と同様の構成を採用することができる。

以上、本発明について実施例に基づいて説明したが、本発明は上記の実施例に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更可能であることはいうまでもない。

本発明によれば、変調電極に高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣ電圧とが共通に印加される光変調器において、バイアス制御電圧が大きく、動作寿命をより長く確保することのできる光変調器を提供することができる。

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、
該変調電極の少なくとも一部には、４０Ｇｂｐｓ以上、シンボルレートで２０Ｇｂａｕｄ以上の高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣバイアス電圧とが共通に印加され、
該高周波変調信号を該変調電極に供給する変調信号供給手段と、該変調電極の入力部との間には、少なくとも２つ以上のコンデンサが直列に接続配置され、該高周波変調信号の供給に伴うＤＣ電圧と、該ＤＣバイアス電圧とによって生じる電位差を該コンデンサが分圧していることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、高周波変調信号とバイアス制御用のＤＣバイアス電圧とが共通に印加される変調電極が複数存在し、当該変調電極毎に対応して前記直列に接続配置されたコンデンサが設けられていることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、前記直列に接続配置されたコンデンサ間の内少なくとも１か所は、抵抗素子を介して接地されていることを特徴とする光変調器。
請求項３に記載の光変調器において、該抵抗素子は１ｋΩ以上の抵抗値を有することを特徴とする光変調器。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該変調信号供給手段と該変調電極の入力部との間には、周波数応答特性を調整するためのイコライザ回路が配置されていることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器において、前記直列に接続配置されたコンデンサの内少なくとも１つは、該基板の近傍に設けられた中継基板に配置されていることを特徴とする光変調器。