JPH10301067A - 光変調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波動作と光の高い結合効率との両立を図
ること。 【解決手段】 本発明は、導波路を伝搬する光を所定の
電気信号に応じて変調する光変調素子１０と、光変調素
子１０における光の入射端面および出射端面のうち少な
くとも一方の端面に隣接して設けられ導波路に沿った光
路の角度を変える反射部材４０とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の電気信号に
応じて変調を行う導波路型の光変調素子を備えた光変調
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザから出射される光を伝搬す
る間に所定の変調を行う光変調装置は、その変調時に生
じる波長チャーピングが半導体レーザによる直接変調の
場合と比べて極めて小さいため、将来の光通信システム
の伝送容量の増大、伝送距離の長距離化を実現するため
のキーデバイスとして期待されている。

【０００３】その中でも、半導体を用いた電界吸収型の
光変調装置は、小型かつ動作電圧が小さいという特徴を
有しており、多くの研究がなされている。

【０００４】電界吸収型の光変調装置は、導波路型と面
型との２つに大別され、超高速光通信システム用として
主として導波路型が検討されている。図１１は従来の導
波路型の光変調装置を説明する平面図である。

【０００５】すなわち、従来の光変調装置１’は、半導
体から成る基板の中に光吸収層が設けられ、光の入射端
面と出射端面とに各々反射防止膜ＡＲが設けられた光変
調素子１を備える構成となっている。

【０００６】このような光変調装置１’では、光変調素
子１の一方の端面から光を入射してその光を光吸収層内
を伝搬させるが、その間に光吸収層に電圧が印加されな
いとほとんどの光が透過して他方の端面から出射する。
また、光吸収層に逆バイアス電圧が印加されると、入射
光は伝搬していくに従い吸収され他方の端面から出射す
る光の強度が減少する。

【０００７】電界吸収型の光変調素子１は、このように
光を外部から入力し、光変調層へ電圧を印加して出力光
の強度を変化させるものである。したがって、光変調素
子１は光の入力ポート、出力ポートおよび電圧を印加す
るポートの少なくとも３つのポートが必要となってい
る。

【０００８】また、この光変調素子１を誘電体基板２０
上に実装するには、光の導波方向に沿った軸Ｋ１と、高
周波電圧を印加するための給電電極２１の軸Ｋ２とがほ
ぼ垂直となるよう配置されている。

【０００９】しかも、光変調素子１の両端面近傍での光
の入力および出力光の広がりを遮らないように誘電体基
板２０の端部にカッティングが施されている（図中２点
鎖線参照）。

【００１０】また、特開平６−５９２２１号公報に記載
される光変調装置では、給電電極であるストリップライ
ンを形成する誘電体基板にスルーホールを形成し、その
スルーホールの全部または途中まで金属を埋め込んで接
地とし、このスルーホール上に電界吸収型の光変調素子
を実装して、ストリップラインと光変調素子とをボンデ
ィングワイヤーによって配線している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の光変調装置においても、光の入出射端面における高い
結合効率と、光変調素子への給電ラインの高速化との両
立を達成するのは非常に困難である。すなわち、光の入
出射端面において高い結合効率を得るためには、入出力
光を遮らないよう誘電体基板にカッティングを施す必要
があり、このカッティングによって給電ラインでの高速
化に悪影響を与えることになる。

【００１２】また、このような誘電体基板のカッティン
グが給電ラインの特性に影響を与えることから、誘電体
基板と給電ラインとを別個独立に設計することができ
ず、光学系および電気系の最適化が非常に困難となって
いる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために成された光変調装置である。すなわ
ち、本発明は、導波路を伝搬する光を所定の電気信号に
応じて変調する光変調素子と、光変調素子における光の
入射端面および出射端面のうち少なくとも一方の端面に
隣接して設けられ導波路に沿った光路の角度を変える反
射部材とを備えている。

【００１４】本発明では、光変調素子の光の入射端面お
よび出射端面のうち少なくとも一方の端面に隣接して設
けられた反射部材により、導波路に沿った光路の角度を
入射端面側や出射端面側で変えることができるようにな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の光変調装置にお
ける実施の形態を図に基づいて説明する。図１は第１実
施形態を説明する図（その１）で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線矢視断面図、図２は
第１実施形態を説明する図（その２）で（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線矢視断面図であ
る。

【００１６】図１および図２に示すように、第１実施形
態における光変調装置１は、誘電体基板２０上に形成さ
れたコプレーナ型の信号導体２１および接地導体２２
と、その接地導体２２上に実装された光変調素子１０
と、光変調素子１０の光の入射端面および出射端面のう
ち少なくとも一方の端面に隣接して設けられた反射部材
４０とを備えている。

【００１７】このうち、図１に示す第１実施形態（その
１）では、信号導体２１の長手方向と導波路の光軸とが
略平行となるよう透過型の光変調素子１０が配置され、
その入射端面と出射端面との両方に隣接して反射部材４
０が設けられている。

【００１８】一方、図２に示す第１実施形態（その２）
では、信号導体２１の長手方向と導波路の光軸とが略垂
直となるよう反射型の光変調素子１０が配置され、その
入出射端面に一つの反射部材４０が設けられている。

【００１９】また、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すよう
に、光変調素子１および反射部材４０を実装する誘電体
基板２０は導電材料である台座３０の上に取り付けられ
ている。この誘電体基板２０としては、誘電率がアルミ
ナと同程度で熱伝導率の良い窒化アルミニウムを用いる
のが放熱性を考慮する上で望ましい。

【００２０】いずれの例でも、信号導体２１と光変調素
子１０の表面側の電極とはボンディングワイヤーＷを介
して接続されている。また、光変調素子１０の裏面（実
装面）側には接地導体２２と導通する電極（図示せず）
が設けられている。

【００２１】このような第１実施形態における光変調装
置１では、光変調素子１と隣接して設けられた反射部材
４０により、光の入出射側の光路を光変調素子１の導波
路に沿った光路に対して角度を付けることができるよう
になる。

【００２２】反射部材４０の反射面は光を全反射できる
ようになっている。図３および図４は反射部材の動作を
説明する断面図である。図３の反射部材はその反射面が
平面となっており、図４の反射部材はその反射面が凹状
となっている。

【００２３】図３に示す反射部材４０の動作では、光変
調素子１０の端面１０ａから角度（導波路方向に対する
角度）φで広がって出射された光を水平方向に対して角
度θから成る反射面で上方に反射させている。

【００２４】この際、反射面で反射された光の光軸の垂
線からのずれｖは、以下の（１）式のようになる。

【００２５】（１） ｖ＝π／２−２θ〔ｒａｄ〕

【００２６】なお、反射した光も出射した際の広がり角
度φと同様な角度で広がっていく。また、光の広がり角
度φと反射面の傾斜角度θとの間には以下の（２）式で
示す関係が要求される。

【００２７】（２） φ＜θ

【００２８】具体的な数値としては、例えばφ＝２５
〔ｄｅｇ〕のとき、θ＝３０および４０〔ｄｅｇ〕で
は、ｖ＝３０および１０〔ｄｅｇ〕が得られる。

【００２９】また、ｖ＝０〔ｒａｄ〕すなわち垂直方向
への光の取り出しを行う場合には、（１）式より、θ＝
π／４〔ｒａｄ〕に設定すれば良いことが分かる。

【００３０】このように、反射部材４０の反射面の角度
を適宜設定することにより、上方へ光を反射させること
ができるようになる。また、入射面側にこのような反射
部材４０を設けることで、上方から光を入射して導波路
方向へ反射させることができるようになる。

【００３１】また、図４に示す反射部材４０の動作で
は、光変調素子１０の端面１０ａから角度（導波路方向
に対する角度）φで広がって出射された光を凹状の反射
面で反射させている。

【００３２】反射面は光が当たる部分に対応して、水平
方向に対してθ1 、θ2 、θ3 から成る傾斜角を持って
いる。この各傾斜角θ1 、θ2 、θ3 で光を反射させた
場合の光の光軸の垂線からのずれｕ、ｖ、ｘは次のよう
になる。

【００３３】 （３）ｕ＝π／２−（２θ1 −φ）〔ｒａｄ〕 （４）ｖ＝π／２−（２θ2 −φ）〔ｒａｄ〕 （５）ｗ＝π／２−（２θ3 −φ）〔ｒａｄ〕

【００３４】ここで、傾斜角θ1 、θ2 、θ3 を以下の
ように設定すれば、反射後の光は平行光となる。

【００３５】 （６）θ1 ＝（π／２−φ）／２〔ｒａｄ〕 （７）θ2 ＝（π／２）／２＝π／４〔ｒａｄ〕 （８）θ3 ＝（π／２＋φ）／２〔ｒａｄ〕

【００３６】この時、傾斜角はその面の法線に対して垂
直つまり接線であるから、面の形状は放物線状になれば
よい。

【００３７】また、θ1 を（６）式で与えられるよりも
小さくかつθ2 を（８）式で与えられるよりも大きく設
定すれば、反射後の光は一度集光され、その後再度広が
っていく。すなわち、焦点が光変調素子１０の端面１０
ａから離れた所にでき、光学系と光変調素子１０との距
離を離すことができるようになる。

【００３８】図１および図２に示す誘電体基板２０上に
光変調素子１０および反射部材４０を実装するには、光
変調素子１０を先に実装した場合には光変調素子１０の
端面に反射部材４０が接するように配置する。また反射
部材４０を先に実装した場合にはその端面に光変調素子
１０の端面が接するように配置する。これによって、光
変調素子１０と反射部材４０との位置合わせを精度良く
行うことができ、誘電体基板２０の上面に対して垂直な
方向の光入出力の光軸を再現性よく設定できるようにな
る。

【００３９】このような第１実施形態における光変調装
置１により、誘電体基板２０の表面に対して垂直な方向
から光の入出力を行うことができ、誘電体基板２０上の
信号導体２１および接地導体２２の設計を行う際、入出
力光の光路の関係で誘電体基板２０の一部を切り欠くよ
うなことが不要となる。これによって、誘電体基板２０
のインピーダンスマッチングを理想的なものにすること
ができ、高周波電力の伝送損失を最小限にすることがで
きる。また、光学系の設計と、高周波での信号供給を行
う電気系の設計とを独立して行うことができ、各々最適
化を図ることができるようになる。

【００４０】次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図５は第２実施形態を説明する図（その１）で、（ａ）
は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線矢視断面
図、図６は第２実施形態を説明する図（その２）で
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線矢
視断面図である。

【００４１】図５および図６に示すように、第２実施形
態における光変調装置１は、誘電体基板２０上に形成さ
れた２つの信号導体２１ａ、２１ｂおよび接地導体２２
と、その２つの信号導体２１ａ、２１ｂの間に実装され
た光変調素子１０と、光変調素子１０の光の入射端面お
よび出射端面のうち少なくとも一方の端面に隣接して設
けられた反射部材４０とを備えている。

【００４２】このうち、図５に示す第２実施形態（その
１）では、光変調素子１０の一方の端面から光を入射
し、導波路を伝搬した光を他方の端面から出射する透過
型の光変調素子１０を実装し、その両端面側に反射部材
４０が各々設けられている。

【００４３】一方、図６に示す第２実施形態（その２）
では、光変調素子１０の一方の端面から光を入射し、導
波路を伝搬した光を他方の端面で反射させ、再び一方の
端面から出射する反射型を実装し、その光の入出力端面
側に一つの反射部材４０が設けられている。

【００４４】また、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すよう
に、光変調素子１および反射部材４０を実装する誘電体
基板２０は導電材料である台座３０の上に取り付けられ
ている。この誘電体基板２０としては、第１実施形態と
同様に、誘電率がアルミナと同程度で熱伝導率の良い窒
化アルミニウムを用いるのが放熱性を考慮する上で望ま
しい。

【００４５】いずれの例でも、信号導体２１ａ、２１ｂ
と光変調素子１０の表面側の電極とはボンディングワイ
ヤーＷを介して接続されている。また、光変調素子１０
は、その裏面側において接地導体２２と導通する放熱用
基台１１を介して台座３０に取り付けられている。

【００４６】このような構成により、光変調素子１と隣
接して設けられた反射部材４０によって、光の入出射側
の光路を光変調素子１の導波路に沿った光路に対して角
度を付けることができるようになる。

【００４７】なお、反射部材４０の反射面は光を全反射
できるようになっている。また、第１実施形態と同様、
反射部材４０の反射面を図３に示すような平面、図４に
示すような凹状にし、所定の傾斜角を設定することで、
反射光を平行にしたり所定の焦点距離で集光できるよう
になる。

【００４８】このような第２実施形態では、高周波信号
を扱う信号導体２１を設計するにあたり、その一部を光
変調素子１０の幅だけ切り欠くだけで良く、また、信号
導体２１とボンディングワイヤーＷとを平行に張れるの
で、誘電体基板２０のインピーダンスマッチングをほぼ
理想的なものにできるようになる。これによって高周波
電力の伝送損失を最小限にすることができる。また、光
学系の設計と、高周波での信号供給を行う電気系の設計
とを独立して行うことができ、各々最適化を図ることが
できるようになる。

【００４９】次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図７は第３実施形態を説明する図（その１）で、（ａ）
は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ’線矢視断面
図、図８は第３実施形態を説明する図（その２）であ
る。

【００５０】図７および図８に示す第３実施形態の光変
調装置１では、誘電体基板２０の一部に凹部２０ａを形
成し、その中に光変調素子１０を実装するとともに、そ
の凹部２０ａの側壁に所定の角度を設け反射部材４０と
して使用している。

【００５１】図７に示す第３実施形態（その１）では、
誘電体基板２０の表面に信号導体２１および接地導体２
２が形成され、この誘電体基板２０が台座３０の上に実
装された構成となっている。また、信号導体２１に隣接
して凹部２０ａが形成され、この信号電極２１の長手方
向と導波路の光軸とが略平行となるよう凹部２０ａ内に
光変調素子１０が実装されている。

【００５２】この誘電体基板２０としては、第１実施形
態と同様に、誘電率がアルミナと同程度で熱伝導率の良
い窒化アルミニウムを用いるのが放熱性を考慮する上で
望ましい。

【００５３】さらに、この凹部２０ａの底部にはスルー
ホール電極１２が形成されており、光変調素子１０を実
装した場合にその裏面（実装面）に設けられた電極を接
地できるようになっている。

【００５４】一方、図８に示す第３実施形態（その２）
では、誘電体基板２０の表面に２つの信号導体２１ａ、
２１ｂおよび接地導体２２が形成され、この誘電体基板
２０が台座３０の上に実装された構成となっている。ま
た、２つの信号導体２１ａ、２１ｂの間に凹部２０ａが
形成され、この信号電極２１ａ、２１ｂの長手方向と導
波路の光軸とが略垂直となるよう凹部２０ａ内に光変調
素子１０が実装されている。

【００５５】さらに、この凹部２０ａの底部にはスルー
ホール電極１２が形成されており、光変調素子１０を実
装した場合にその裏面（実装面）に設けられた電極を接
地できるようになっている。

【００５６】また、いずれの例でも、信号導体２１と光
変調素子１０の表面側の電極とはボンディングワイヤー
Ｗを介して接続されている。

【００５７】このような構成により、光変調素子１と隣
接して設ける反射部材４０として、誘電体基板２０に形
成した凹部２０ａの側壁を利用して一体的に形成するこ
とができる。また、反射部材４０により、光の入出射側
の光路を光変調素子１の導波路に沿った光路に対して角
度を付けることができるようになる。

【００５８】なお、反射部材４０の反射面は光を全反射
できるようになっており、第１実施形態と同様、反射部
材４０の反射面を図３に示すような平面、図４に示すよ
うな凹状にし、所定の傾斜角を設定することで、反射光
を平行にしたり所定の焦点距離で集光できるようにな
る。

【００５９】また、図８および図９に示す光変調装置１
では、実装する光変調素子１０として反射型を用いてい
るため、光の入出射端面側に一つの反射部材４０を設け
ているが、透過型の光変調素子１０を用いる場合には、
入射端面および出射端面に対応する凹部２０ａの側壁に
対向して反射部材４０を設けるようにすればよい。

【００６０】このような第３実施形態では、高周波信号
を扱う信号導体２１を設計するにあたり、その一部を光
変調素子１０の幅だけ切り欠くだけで良く、誘電体基板
２０のインピーダンスマッチングをほぼ理想的なものに
できるようになる。これによって高周波電力の伝送損失
を最小限にすることができる。

【００６１】また、光学系の設計と、高周波での信号供
給を行う電気系の設計とを独立して行うことができ、各
々最適化を図ることができるようになる。さらに、誘電
体基板２０と反射部材４０とを同一基板で一体的に形成
できるので、組立工数の削減、部品点数の減少を図るこ
とができる。

【００６２】次に、本発明の第４実施形態を説明する。
図９は第４実施形態を説明する図で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は側面図、図１０は第４実施形態の動作を説明す
る断面図であり、図９（ａ）におけるＦ−Ｆ’線矢視断
面図を示している。

【００６３】すなわち、第４実施形態における光変調装
置１では、誘電体基板２０の側面に光軸がほぼ垂直とな
るよう光変調素子１０が実装され、その下側の端面と対
応する台座３０の位置に反射部材４０が設けられてお
り、光変調素子１０の上側の端面では光を垂直方向に沿
って取り扱い、下側の端面では反射部材４０によって光
を水平方向に沿って取り扱うようにしている。

【００６４】この光変調装置１においては、誘電体基板
２０の表面から光変調素子１０が実装される側面にかけ
て信号導体２１と接地導体２２とが形成されている。こ
の誘電体基板２０としては、第１実施形態と同様に、誘
電率がアルミナと同程度で熱伝導率の良い窒化アルミニ
ウムを用いるのが放熱性を考慮する上で望ましい。

【００６５】誘電体基板２０の側面に実装された光変調
素子１０は、その裏面（実装面）に設けられた電極で誘
電体基板２０の側面に形成された接地導体２２と導通し
ている。また、光変調素子１０の表面に設けられた電極
と誘電体基板２０の側面に形成された信号導体２１とは
ボンディングワイヤーＷによって配線されている。

【００６６】図１０に示すように、光変調素子１０の端
面から光軸に対して角度φで広がって光が出射した場
合、台座３０に設けられた反射部材４０の傾斜角θから
成る反射面で光が反射する。この際、反射面で反射した
光の光軸に対するずれｖは、上記説明した（１）式と同
様に表され、反射した後も角度φで広がっていく。

【００６７】具体的な数値としては、例えばφ＝２５
〔ｄｅｇ〕のとき、θ＝３０および４０〔ｄｅｇ〕で
は、ｖ＝３０および１０〔ｄｅｇ〕が得られる。

【００６８】また、ｖ＝０〔ｒａｄ〕すなわち垂直方向
への光の取り出しを行う場合には、（１）式より、θ＝
π／４〔ｒａｄ〕に設定すれば良いことが分かる。

【００６９】このように、反射部材４０の反射面の角度
を適宜設定することにより、光変調素子１０の下側の端
面において水平方向に沿った光の入出力を行うことがで
き、上側の端面において垂直方向に沿った光の入出力を
行うことができるようになる。

【００７０】なお、この反射部材４０の反射面として
は、第１実施形態と同様、図３に示すような平面や図４
に示すような凹状にして、所定の傾斜角を設定すること
で反射光を平行にしたり所定の焦点距離で集光できるよ
うになる。

【００７１】このような第４実施形態により、光の入出
力を垂直方向と水平方向とに分けて行うことができ、高
周波信号を扱う信号導体２１を設計するにあたり、光学
系と別個に行うことができるようになる。これによって
誘電体基板２０のインピーダンスマッチングをほぼ理想
的なものにでき、高周波電力の伝送損失を最小限にする
ことができる。

【００７２】なお、上記説明したいずれの実施形態であ
っても、反射部材４０の傾斜角や各種数値、材料はこれ
に限定されるものではない。また、各図においては終端
抵抗やチップコンデンサなどは示していないが、それら
が外付けされていてもよく、また薄膜抵抗やチップ抵抗
などが台座３０あるいは誘電体基板２０上に集積されて
いてもよい。

【００７３】さらに、光変調素子１０として光の強度変
調を行うものを例に説明したが、位相変調やコーディン
グ、ゲーティングなど、種々の光変調であっても適用可
能である。また、信号導体２１および接地導体２２とし
ては、コプレーナ型以外の例えばマイクロストリップラ
インであってもよい。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光変調装
置によれば次のような効果がある。すなわち、導波路の
方向に対して光の入出力方向に角度を付けることがで
き、電気信号を取り扱う給電ラインと光の入出力とを別
個に設計できるようになる。これによって、各々最適な
設計を行うことができ、高速動作と光の高い結合効率と
の両立を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を説明する図（その１）である。

【図２】第１実施形態を説明する図（その２）である。

【図３】反射部材の動作を説明する断面図（その１）で
ある。

【図４】反射部材の動作を説明する断面図（その２）で
ある。

【図５】第２実施形態を説明する図（その１）である。

【図６】第２実施形態を説明する図（その２）である。

【図７】第３実施形態を説明する図（その１）である。

【図８】第３実施形態を説明する図（その２）である。

【図９】第４実施形態を説明する図である。

【図１０】第４実施形態の動作を説明する断面図であ
る。

【図１１】従来例を説明する平面図である。

【符号の説明】

１ 光変調装置 ２０ 誘電体基板 ２１ 信号導体 ２２ 接地導体 ３０ 台座 ４０ 反射部材

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波路を伝搬する光を所定の電気信号に
   応じて変調する光変調素子と、 前記光変調素子における光の入射端面および出射端面の
   うち少なくとも一方の端面に隣接して設けられ前記導波
   路に沿った光路の角度を変える反射部材とを備えている
   ことを特徴とする光変調装置。
2. 【請求項２】 前記反射部材は、前記光変調素子を実装
   する実装部材と反対側に前記光路の角度を変えることを
   特徴とする請求項１記載の光変調装置。
3. 【請求項３】 誘電体基板上に信号供給電極と接地電極
   とが形成された信号供給基板を備え、 前記信号供給基板の接地電極上に前記光変調素子が実装
   され、その実装面において該光変調素子の電気的な接地
   が行われていることを特徴とする請求項１記載の光変調
   装置。
4. 【請求項４】 誘電体基板上に分割された信号供給電極
   と接地電極とが形成された信号供給基板を備え、 前記信号供給基板の分割された信号供給電極の間に配置
   された導電性台座を会して前記光変調素子が実装され、
   その実装面において該光変調素子の電気的な接地が行わ
   れていることを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
5. 【請求項５】 誘電体基板上に信号供給電極と接地電極
   とが形成された信号供給基板と、 前記信号供給基板の表面から内部に向けて設けられ前記
   光変調素子を実装する凹部とを備え、 前記反射部材が前記凹部の側壁に形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の光変調装置。
6. 【請求項６】 誘電体基板上に信号供給電極と接地電極
   とが形成されて成る信号供給基板を備え、 前記光変調素子における光の入射端面および出射端面の
   うち一方の端面が前記信号供給基板の端部に配置される
   状態で該光変調素子を該信号供給基板に実装し、該光変
   調素子の他方の端面に隣接して前記反射部材を配置する
   ことを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
7. 【請求項７】 前記反射部材の反射面は凹状となってい
   ることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項
   に記載の光変調装置。
8. 【請求項８】 前記光変調素子における光の入射端面側
   および出射端面側の各々の光路に合わせた光学系を備え
   ていることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか
   １項に記載の光変調装置。