JP7095583B2

JP7095583B2 - 光送信機

Info

Publication number: JP7095583B2
Application number: JP2018231859A
Authority: JP
Inventors: 敏洋伊藤; 健都築; 雅之高橋; 清史菊池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: WO2020121928A1; JP2020095122A; US20220011606A1; US11340478B2

Description

本発明は、光送信機に関し、より詳細には、ディジタルコヒーレント通信に用いられ、光変調器と、光変調器を駆動するドライバとを備えた光送信機に関する。

近年、５Ｇ移動体通信、ＶＯＤ（Video On Demand）など、様々なサービスの必要とする総通信容量は増大の一途を辿り、基幹となる光通信回線にも不断の増大が求められている。これに伴い、数百ｋｍ以上の長距離の都市間を結ぶ基幹回線ばかりでなく、１００ｋｍ未満の都市間、データセンタ間を結ぶ比較的近距離の回線においても、大容量の通信装置が必要とされている。従来、数千ｋｍに及ぶ基幹回線のみに用いられてきたディジタルコヒーレント通信技術は、大きな通信容量に加えて、分散耐力、高い受信感度などの優れた特性のため、１００ｋｍ前後の比較的短い距離の通信にも使われるようになってきている。通信網は、末端になるほど細かく分かれているため、これらの距離で用いられる通信機器の数は基幹回線の場合に比べてはるかに多い。このため、通信機器に対するサイズの小型化、コスト低減の要求は、長距離用の通信機器と比較すると、ずっと厳しいものになる。

ディジタルコヒーレント通信に用いられる光送信機において、従来、高性能なニオブ酸リチウム（ＬＮ）変調器が用いられてきた。さらに、上記のような小型化のために、最近では半導体光変調器が用いられている。半導体材料としては、インジウム燐（ＩｎＰ）が小型高性能化には適しているが、光回路の小型化・集積化には、シリコンフォトニクス技術を利用したシリコン光変調器も用いられる。

通信機器の小型化が進展する一方、近年、信号伝送ボーレートの高速化が進み、３２Ｇｂａｕｄから６４Ｇｂａｕｄにまで届こうとしている。伝送する周波数レートが高くなるにつれ、光送信機を構成する部品に対する高周波特性への要求も厳しくなっている。

図１に、従来のコヒーレント光送信機の光変調部の構成を示す。光送信機は、信号源に接続された光変調器ドライバＩＣ１１と、光源に接続された半導体光変調器１２とが、パッケージ内の基板１３上に実装されている。半導体光変調器１２は、一例として、偏波多重直交位相変調器（ＤＰ－ＩＱ光変調器）であり、マッハツェンダ型光変調器２つからなるＩＱ光変調器を２組備えている。マッハツェンダ型光変調器１２ａ－１２ｄの２本のアーム導波路のｐｎ接合部に電圧を印加することにより、ポッケルス効果、キャリアプラズマ効果等の半導体の電気光学効果により屈折率を変化させる。光源からの光入力は、各々のマッハツェンダ型光変調器１２ａ－１２ｄにおいて、変調信号が重畳された印加電圧による電気光学効果によって変調され、合波されて光信号出力（ＤＰ－ＱＰＳＫ信号、ＤＰ－１６ＱＡＭ信号等）として出力される。

半導体光変調器１２において、十分な電気光学効果を得るために必要な電気信号振幅が大きいので、十分な振幅を得るため、電気入力信号を増幅するために光変調器ドライバＩＣ１１を用いている。光変調器ドライバＩＣ１１のドライバＩＣ１１ａ－１１ｄの構成としては、非特許文献１に記載されているように様々な形式がある。コンパクトに構成するためには、バイポーラトランジスタの場合ならばオープンコレクタ型、ＦＥＴの場合ならばオープンドレイン型の構成が有用である。オープンコレクタ型の構成では、ドライバＩＣ１１ａ－１１ｄが送端抵抗を内蔵していないために消費電力が低い。また、ドライバＩＣ１１ａ－１１ｄとマッハツェンダ型光変調器１２ａ－１２ｄとを直結して用いることができ、ＤＣ分離のためのバイアスＴのような外部部品が不要になり、小型・安価に構成できる利点がある。

マッハツェンダ型光変調器１２ａ－１２ｄとしては、進行波型電極１５ａ，１５ｂがよく用いられる。この光変調器では、光と電気信号を同じ方向に伝搬させることにより十分な変調効率を得ることができる。進行波型電極１５ａ，１５ｂの構成では、マッハツェンダ型光変調器１２ａ－１２ｄに入力した電気信号が電極の終端部から反射して戻ってこないように、ドライバＩＣ１１ａ－１１ｄの接続端とは反対側に終端抵抗１４ａ，１４ｂが接続される。終端抵抗１４ａ，１４ｂは、進行波型電極１５ａ，１５ｂの線路としての特性インピーダンスと概ね一致するように設計され、ドライバＩＣ１１ａ－１１ｄから見たマッハツェンダ型光変調器１２ａ－１２ｄの電気反射減衰量は、終端抵抗１４ａ，１４ｂの抵抗値が特性インピーダンスと一致した場合に最大となる。

光送信機の実装形態については、特に大幅な小型化を実現するために、非特許文献２に記載されているようなフリップチップ構成がよく用いられる。この方法は、半導体チップの各電極パッドに金属ボールをつけたまま裏向きに実装するため、ボンディングの場合のように、半導体チップの周りに広い領域が不要になる。また、上面からの放熱が容易になるため、半導体チップを実装したパッケージ全体を、リードレスで小型化に優れたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）実装することが容易になる利点がある。

N. Wolf, L. Yan, J.-H. Choi, T. Kapa, S. Wunsch, R. Klotzer, K.-O. Vethaus, H.-G. Bach, M. Schell, "Electro-Optic Co-Design to Minimize Power Consumption of a 32GBd Optical IQ-Transmitter Using InP MZ-Modulators", 2015 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), pp. 117-120, 2015. S. Kanazawa, T. Fujisawa, K. Takahata1, Y. Nakanishi1, H. Yamazaki, Y. Ueda, W. Kobayashi, Y. Muramoto, H. Ishii, and H. Sanjoh, "56-Gbaud 4-PAM operation of flip-chip interconnection lumped-electrode EADFB laser module for equalizer-free transmission", OFC2016, W4J.1, 2016.

図１に示した光送信機のように、光変調器ドライバＩＣ１１と半導体光変調器１２とをボンディングによる実装に代えてフリップチップ実装する場合は、光変調器ドライバＩＣ１１と半導体光変調器１２との間を基板上の線路で接続することになる。上述したように、光変調器ドライバＩＣ１１から見た半導体光変調器１２の電気反射減衰量を最大とするためには、基板上の線路についても、進行波型電極１５ａ，１５ｂの特性インピーダンスと一致するように設計すればよい。

ボンディング接続の場合であってもフリップチップ実装の場合であっても、６４Ｇｂａｕｄなどの高いボーレートの送信機が必要になる４００Ｇ送受信機を構成する場合、従来の光変調器ドライバＩＣ１１と半導体光変調器１２とを単純に接続する方法では帯域が不足する場合があった。周波数特性が低いと、信号全体のパワースペクトルが減衰し、送信光強度までも低くなって送受信機のダイナミックレンジまで低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、光送信機を構成する部品によって帯域を制御することにより、周波数特性を向上させた光送信機を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、進行波型電極および終端抵抗を含む光変調器と、前記光変調器を駆動する光変調器ドライバとを備えた光送信機において、前記光変調器ドライバの出力は、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型であり、前記光変調器ドライバの出力端と前記光変調器とを接続する伝送線路は、特性インピーダンスを前記光変調器の特性インピーダンスより２０％以上高くし、電気長を前記光変調器を駆動する電気信号の３ｄＢ帯域周波数に相当する波長の１／２０以上１／２以下として、前記光変調器ドライバの出力端と、前記光変調器および前記伝送線路の接続点との間で多重反射を起こすように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、所望の周波数の周辺で応答が改善し、一定の周波数ピーキング効果が得られ、周波数特性を改善することができる。

従来のコヒーレント光送信機の光変調部の構成を示す図である。本発明の実施例１にかかる光送信機の光変調部の構成を示す図である。伝送線路の長さを一定にし、特性インピーダンスを変化させたときの光送信機の周波数特性を示す図である。伝送線路の特性インピーダンスを一定にし、長さを変化させたときの光送信機の周波数特性を示す図である。伝送線路の長さを一定にし、特性インピーダンスを変化させたときの光送信機の周波数特性を示す図である。本発明の実施例２にかかる光送信機の光変調部の構成を示す図である。本発明の実施例３にかかる光送信機の光変調部の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２に、本発明の実施例１にかかる光送信機の光変調部の構成を示す。光送信機は、信号源に接続された光変調器ドライバＩＣ２１と、光源に接続された半導体光変調器２２とが、パッケージ内の基板２３上に実装されている。半導体光変調器２２は、一例として、偏波多重直交位相変調器（ＤＰ－ＩＱ光変調器）であり、マッハツェンダ型光変調器２つからなるＩＱ光変調器を２組備えている。光源からの光入力は、各々のマッハツェンダ型光変調器２２ａ－２２ｄにおいて、変調信号が重畳された印加電圧により変調され、合波されて光信号出力（ＤＰ－ＱＰＳＫ信号、ＤＰ－１６ＱＡＭ信号等）として出力される。マッハツェンダ型光変調器２２ａ－２２ｄには、進行波型電極２５ａ，２５ｂが用いられ、入力した信号が電極の終端部から反射して戻ってこないように、終端抵抗２４ａ，２４ｂが接続されている。

光変調器ドライバＩＣ２１のドライバＩＣ２１ａ－２１ｄは、バイポーラトランジスタの場合ならばオープンコレクタ型、ＦＥＴの場合ならばオープンドレイン型の構成を有し、終端抵抗２４ａ，２４ｂを介して接続された電源２６から電流が供給される。オープンコレクタ型またはオープンドレイン型の場合、送端抵抗がないため出力反射特性が全反射特性となっている。これにより送端抵抗による消費電力がなく、マッハツェンダ型光変調器２２ａ－２２ｄと電気的に直結する構成をとっているため、バイアスＴのような外部部品が不要になる。

光変調器ドライバＩＣ２１と半導体光変調器２２とは、基板２３上にフリップチップ実装されており、その間を基板上の伝送線路２７で接続されている。

実施例１においては、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型の出力形式を有するドライバＩＣを備え、ドライバＩＣと光変調器との間を結ぶ伝送線路の特性インピーダンス（Ｚ）を、進行波型電極および終端抵抗を含む光変調器の特性インピーダンス（Ｚ０）よりも２０％以上高く設定する。加えて、伝送線路による遅延時間（ＴＤ）を目的とする周波数の電気信号の周期（τ）の１／２０以上とする。以下、実施例１の構成について詳細に説明する。

光変調器ドライバＩＣ２１から半導体光変調器２２までの間の伝送線路２７と、半導体光変調器２２の特性インピーダンスとが合致しないため、伝送線路２７と半導体光変調器２２との接続部において信号の反射が起きる。一方、伝送線路２７の他端であるドライバＩＣ２１ａ－２１ｄの出力端は、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型なので反射特性は全反射である。従って、伝送線路２７の両端で多重反射が起き、光送信機の光変調部全体の周波数特性が変化する。

図３に、伝送線路の長さを一定にし、特性インピーダンスを変化させたときの光送信機の周波数特性の変化を示す。具体的には、伝送線路２７の特性インピーダンスと半導体光変調器２２の特性インピーダンスとが一致している場合と比較した周波数特性の差分（ΔＳ２１）を示している。デシベル値で表し、伝送線路２７により接続した場合の周波数特性から、光変調器ドライバＩＣ２１と半導体光変調器２２とを直結した場合の周波数特性を差し引いた差分を表している。Ｚ０は、半導体光変調器２２の特性インピーダンスを表し、τは、目的とする周波数の電気信号の周期を表す。図３においては、周波数を３２ＧＨｚとし、その周期をτとしている。

図３は、伝送線路２７の長さを一定値τ／２０にして特性インピーダンスを変化させた場合、同様に、図４は、伝送線路２７の特性インピーダンスを一定値１．２Ｚ０にして長さを変化させた場合、図５は、伝送線路２７の長さを一定値τ／１０にして特性インピーダンスを変化させた場合に相当する。光送信機への実装時の周波数損失を考えると、目的とする周波数３２ＧＨｚ近辺で、周波数特性が持ち上がっていることが望ましい。

図３－５を参照すると、伝送線路２７の特性インピーダンスが１．２Ｚ０程度より小さい場合、または伝送線路２７の長さがτ／２０程度より小さい場合、周波数３２ＧＨｚ近辺で、殆どピーキングの効果が得られないことがわかる。これは、インピーダンス変化が小さすぎる場合は、インピーダンス変化部での反射が殆ど発生せず多重反射の寄与が小さくなるためである。また、伝送線路の長さが短い場合、すなわち遅延時間が小さい場合は、所望の周波数で殆ど位相が回らず変化しないためである。逆に、遅延時間が長すぎて所望の波長で位相が半波長以上回ると定在波がたってしまうため、半波長以下であることが必要になる。つまり、伝送線路の長さはτ／２程度以下である必要がある。

以上のことから、伝送線路２７の特性インピーダンス（Ｚ）を、半導体光変調器２２の特性インピーダンス（Ｚ０）よりも２０％以上高くし、伝送線路２７の長さを、光変調器を駆動する電気信号の周波数（通常は必要な３ｄＢ帯域周波数に相当する）の１／２０以上の遅延となるように、波長に相当する電気長の１／２０以上とする。このような構成により、所望の周波数の周辺で応答が改善し、一定の周波数ピーキング効果が得られるようになる。

なお、ドライバＩＣと光変調器との間の特性インピーダンス（Ｚ）を、光変調器の特性インピーダンス（Ｚ０）よりも高くすればよいので、光変調器ドライバＩＣ２１内部の出力線路、出力パッド部のインピーダンス、または半導体光変調器２２内部のマッハツェンダ型光変調器２２ａ－２２ｄへの入力線路、入力パッド部のインピーダンスを、半導体光変調器２２の特性インピーダンス（Ｚ０）よりも２０％以上高くしてもよい。実効的には、ドライバＩＣと光変調器との間を結ぶ伝送線路の長さに寄与させることができ、伝送線路のインピーダンス変化と同様の効果が期待できる。また、両者を併用すれば、付加的な効果が期待できる。

図６に、本発明の実施例２にかかる光送信機の光変調部の構成を示す。光送信機は、信号源に接続された光変調器ドライバＩＣ３１と、光源に接続された半導体光変調器３２とが、パッケージ内の基板３３上に実装されている。マッハツェンダ型光変調器３２ａ－３２ｄには、進行波型電極３５ａ，３５ｂが用いられ、入力した信号が電極の終端部から反射して戻ってこないように、終端抵抗３４ａ，３４ｂが接続されている。

光変調器ドライバＩＣ３１のドライバＩＣ３１ａ－３１ｄは、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型の構成を有し、終端抵抗３４ａ，３４ｂを介して接続された電源３６から電流が供給される。光変調器ドライバＩＣ３１と半導体光変調器３２とは、基板３３上にフリップチップ実装されており、実施例１と同様に、所望のインピーダンスを有する伝送線路が形成された線路基板３７により、両者を接続している。

所望のインピーダンスに設定するために、伝送線路は、直線的に作成するばかりでなく、同じ面積で距離を長くするために曲り線路にすることができる。また、線路基板３７をフリップチップで実装することにより、インピーダンスの異なる線路基板の中から所望のインピーダンスの線路基板を選択して実装することもできる。さらに、他のチャネルなど外部との干渉を抑圧するため、伝送線路の一部を多層セラミック基板で作成したパッケージの内層線路にすることもでき、このときにも、曲がり線路にすることもできる。

図７に、本発明の実施例３にかかる光送信機の光変調部の構成を示す。光送信機は、信号源に接続された光変調器ドライバＩＣ４１と、光源に接続された半導体光変調器４２とが、パッケージ内の基板４３上に実装されている。マッハツェンダ型光変調器４２ａ－４２ｄには、進行波型電極４５ａ，４５ｂが用いられ、入力した信号が電極の終端部から反射して戻ってこないように、終端抵抗４４ａ，４４ｂが接続されている。

光変調器ドライバＩＣ４１のドライバＩＣ４１ａ－４１ｄは、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型の構成を有し、終端抵抗４４ａ，４４ｂを介して接続された電源４６から電流が供給される。光変調器ドライバＩＣ４１と半導体光変調器４２とは、基板４３上に形成されたパッド間を接続するボンディングワイヤ４７により接続され、実施例１と同様に、所望のインピーダンスを有する伝送線路を形成している。ボンディングワイヤの太さ、長さ、本数を変えることにより、所望のインピーダンスに設定することができる。

実施例１－３のドライバＩＣは、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型としたが、ドライバＩＣの出力端と、伝送線路と半導体光変調器の接続部との間で多重反射が起きる程度に、出力インピーダンスが高ければよい。具体的には、ドライバＩＣの出力インピーダンスは、光変調器の特性インピーダンスより３倍以上高ければよい。

本実施形態によれば、光送信機を構成する部品によって帯域を制御することにより、所望の周波数の周辺で応答が改善し、一定の周波数ピーキング効果が得られるようになる。これにより、従来の光変調器ドライバＩＣと半導体光変調器とを適用した場合であっても、光送信機の周波数特性を向上させることができる。

１１，２１，３１，４１光変調器ドライバＩＣ
１２，２２，３２，４２半導体光変調器
１３，２３，３３，４３基板
１４，２４，３４，４４終端抵抗
１５，２５，３５，４５進行波型電極
２６，３６，４６電源
２７伝送線路
３７線路基板
４７ボンディングワイヤ

Claims

進行波型電極および終端抵抗を含む光変調器と、前記光変調器を駆動する光変調器ドライバとを備えた光送信機において、
前記光変調器ドライバの出力は、オープンコレクタ型またはオープンドレイン型であり、
前記光変調器ドライバの出力端と前記光変調器とを接続する伝送線路は、特性インピーダンスを前記光変調器の特性インピーダンスより２０％以上高くし、電気長を前記光変調器を駆動する電気信号の３ｄＢ帯域周波数に相当する波長の１／２０以上１／２以下として、前記光変調器ドライバの出力端と、前記光変調器および前記伝送線路の接続点との間で多重反射を起こすように構成されていることを特徴とする光送信機。
前記光変調器ドライバの出力インピーダンスは、前記光変調器の特性インピーダンスより３倍以上高いことを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
前記光変調器ドライバの出力線路、出力パッド部、前記光変調器の入力線路、または入力パッド部のインピーダンスを、前記光変調器の特性インピーダンスより高くしたことを特徴とする請求項１または２に記載の光送信機。
前記光変調器と前記光変調器ドライバとは、基板上にフリップチップ実装されており、前記伝送線路は、前記基板上にフリップチップ実装された線路基板に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光送信機。
前記光変調器と前記光変調器ドライバとは、基板上にフリップチップ実装されており、前記伝送線路は、前記基板上に形成されたパッド間を接続するボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光送信機。