JPWO2010021193A1 - 光変調器 - Google Patents

Abstract

光変調器は、光変調用基板１、電気長調整用基板２６、基板１と基板２６を収容するパッケージ１および高周波電気信号入力ポート７Ａ〜７Ｄを備える。光変調用基板１が、電気光学材料からなる基板本体２、基板本体２上に設けられた接地電極、複数の信号電極４Ａ〜４Ｄ、各信号電極と相互作用する光を伝搬する光導波路、および各信号電極へと高周波電気信号を入力する電極入力ポート５Ａ〜５Ｄを備えている。各信号電極が、相互作用部３、電極入力ポートと相互作用部との間の入力端部２０Ａ〜２０Ｄ、および終端部を備えている。電気長調整用基板２６が、各高周波電気信号入力ポート７Ａ〜７Ｄに接続された各配線９Ａ〜９Ｄを備える。各ポート７Ａ〜７Ｄにおける電気信号の位相差を調整できるように、配線の電気長が互いに異なる。

Description

本発明は、光変調器に関するものである。

マルチメディアの発展に伴い、通信のブロードバンド化の需要が高まり、１０Ｇｂ／ｓを超える光伝送システムが実用化され、さらに高速化が期待されている。１０Ｇｂ／ｓ以上の電気信号（マイクロ波信号）を光に変調するデバイスとしてＬＮ光変調器が使用されている。
光変調器は、外部の高周波電源に接続するために、パッケージ内に実装する必要がある。光変調器の電気実装形態の先行技術文献としては、高周波中継基板を介さずに直接コネクタピンを接続する方法（特許３８２４２６５の図１）が知られている。
電気長の調整がされていない２つ以上のポートを持つ光変調器を用いた光送信機では、各入力ポート間のスキュー（信号のタイミング）が問題となる。このためチャンネルごとにタイミング調整を行うための外部装置が必要である。
例えば、特開２００３−２３３０４４においては、変調器チップ側はワイヤーボンディングで接続され、高周波コネクタが半田で接続されている。しかし、デバイス内では複数の入力ポート間の信号タイミング調整が行われていないため、各チャンネルに可変位相補償器（フェーズシフター）を接続してチャンネル間のタイミングを調整する。
特開２００４−１８５０４０においては、光変調器の相互作用部と入力ポートとの間で信号電極を大きく曲折させることによって、各入力ポート間でスキュー調整を行っている。この場合には、高周波電気信号のタイミング調整を、外部の位相補償装置によって行う必要がない。

パッケージの外部に可変位相補償器を設置してスキュー調整を行う方式では、光変調基板に対して位相補償器が大きいため、伝搬損失が大きく、マイクロ波特性の劣化を引き起し、特に変調帯域が狭くなる。そして、室温で位相補償を行っても、環境温度が大きく変化すると、各チャンネルごとに位相が変化し、チャンネル間ディレイ差が大きくなった。
特開２００４−１８５０４０のように、光変調器基板の相互作用部と入力ポートとの間で信号電極を蛇行、曲折させることでスキュー調整を行う場合には、信号線路における伝搬損失が大きくなり、マイクロ波特性の劣化を引き起こし、変調帯域が狭くなる。そして、このタイプの光変調器では、微細な製造誤差ないし偏差から、製造ロットごとにチャンネル間ディレイ差がかなり異なる傾向があることがわかった。
本発明の課題は、複数の高周波電気信号入力チャンネルを持つ光変調器において、環境温度の変化によるチャンネル間ディレイ差を抑制し、かつ製造ロットごとのチャンネル間ディレイ差も抑制することである。
本発明は、光変調用基板、電気長調整用基板、光変調用基板と電気長調整用基板を収容するパッケージおよび複数の高周波電気信号入力ポートを備えている光変調器であって、
光変調用基板が、電気光学材料からなる基板本体、基板本体上に設けられた複数の信号電極、各信号電極と相互作用する光を伝搬する光導波路、および各信号電極へとそれぞれ高周波電気信号を入力する電極入力ポートを備えており、各信号電極が、光導波路と相互作用する相互作用部、電極入力ポートと相互作用部との間の入力端部、および相互作用部の下流側にある終端部を備えており、
電気長調整用基板が、各入力部および各高周波電気信号入力ポートに接続された各配線を備えており、
各電極入力ポートにおける高周波電気信号の位相差を調整できるように、配線の電気長が互いに異なっていることを特徴とする。
パッケージの外部に可変位相補償器を設置してスキュー調整を行う方式では、室温で位相補償を行っても、環境温度が大きく変化すると、各チャンネルごとに位相が変化し、チャンネル間ディレイ差が大きくなっていた。本発明では、パッケージの入力ポート外の可変位相補償器ではなく、入力ポート内の光変調基板および電気長調整用基板によってスキュー調整を行っている。したがって、環境温度が変化しても、相互作用部の信号印加開始端におけるチャンネル間ディレイ差を抑制できる。
また、特開２００４−１８５０４０のように、光変調器基板の相互作用部と入力ポートとの間で信号電極を蛇行、曲折させることでスキュー調整を行う場合には、製造ロットごとにチャンネル間ディレイ差がかなり異なる。本発明者がこの原因を調査したところ、光変調基板上の信号電極を蛇行、曲折させる場合には、信号電極の微細形状にバラツキが生じやすいことがわかった。相互作用部でのマイクロ波−光波速度整合のために、信号電極にはある程度の厚さが必要であるが、厚膜形成には必然的に厚さや幅などの微細形状のバラツキが発生しやすい。このような信号電極の微細形状のバラツキが、チャンネル間ディレイ差のバラツキをもたらしているものと考えられた。このような検討は本発明者が初めてなしたものである。
本発明者は、この仮説に基づき、光変調基板とは別体の電気長調整用基板を設け、その上に各チャンネルに対応する配線を設けた。そして、各配線の電気長を調整することによって、各チャンネルにおけるスキュー調整を行うことを試みた。この結果、環境温度が変化してもチャンネル間ディレイ差がほとんど変化しないことに加え、製造ロットごとのチャンネル間ディレイ差のバラツキも抑制されることを見いだした。

図１は、光変調用基板１の入力側端部、電気長調整用基板６、パッケージ１および高周波電気信号入力ポート７Ａ〜７Ｄを模式的に示す図である。
図２は、光変調用基板１の全体を模式的に示す平面図である。
図３は、光変調用基板１、電気長調整用基板６、パッケージ１および高周波電気信号入力ポート７Ａ〜７Ｄの全体を模式的に示す平面図である。
図４は、本発明の他の実施形態に係る光変調器を示す模式図である。
図５は、比較例の光変調器を示す模式図であり、可変位相変調器１５Ａ〜１５Ｄを用いてスキューを調整している。
図６は、比較例の光変調器を示す模式図であり、各入力端部２１Ａ〜２１Ｄでスキューを調整している。

本発明の光変調器は、光の特性に変調を加えるものであれば限定されず、光強度変調器、光位相変調器であってよい。光強度変調器は、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器であってよいし、ＳＳＢなどの振幅変調器でもよい。光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。その種類は特に限定されず、ＤＱＰＳＫ、ＤＰＳＫ等の各種位相変調方式を利用できる。
好適な実施形態においては、光位相変調器が、複数の光位相変調部を備えている。この実施形態においては、好ましくは、一つの光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極が、隣接する光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極と共通接地電極を構成している。このような共通接地電極を形成することによって、光変調部に必要な寸法を小さくし、チップの小型化に資することができる。
複数の位相変調部を用いた場合の位相変調方式は特に限定されず、ＤＱＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、ＤＰＳＫ「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：差動位相偏移変調」など、種々の位相変調方式を採用できる。各変調方式それ自体は公知である。
図１〜図３は本発明の一実施形態に係るものである。図１は、光変調用基板１の入力側端部、電気長調整用基板２６、パッケージ１および高周波電気信号入力ポート７Ａ〜７Ｄを模式的に示す図である。図２は、光変調用基板１の全体を模式的に示す平面図である。図３は、光変調用基板１、電気長調整用基板６、パッケージ１および高周波電気信号入力ポート７Ａ〜７Ｄの全体を模式的に示す平面図である。
本例の光変調器はＤＱＰＳＫ型のものである。例えば平板形状の基板本体２の表面に、図２に示すように、二系統のマッハツェンダー型光導波路１０Ａ、１０Ｂが形成されている。各光導波路は、それぞれ、独立した光変調部を形成する。各光導波路は、入射部１０ａ、分岐部１０ｂ、相互作用部１０ｃ、合波部１０ｄおよび出射部１０ｅを備えている。この結果、４列の相互作用部１０ｃが基板本体２上に形成されている。２ｂは入射側端面であり、２ａは出射側端面であり、２ｃは高周波信号側端面である。
各相互作用部１０ｃに対応して、それぞれ、信号電極と接地電極とが形成されている。隣接する信号電極と接地電極との間にそれぞれギャップが形成されており、平面的に見て各ギャップ内に相互作用部１０ｃが配置されている。３は相互作用部であり、Ｓは相互作用部３の開始点であり、Ｅは相互作用部３の終端である。
図２には信号電極４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを示す。各信号電極は、それぞれ、相互作用部３と各入力部と各終端部とを備えている。各終端部は、それぞれ、終端ポート８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄに接続されている。図３に示すように、各終端ポート８Ａ〜８Ｄはそれぞれ、終端抵抗器１１に接続されている。
図３に示すように、光変調用基板２および電気長調整用基板２６はパッケージ１の空間１ａ内に収容され、固定されている。パッケージ１には高周波電気信号入力ポート７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄが取り付けられており、各ポートは、図示しない高周波電源に接続されている。
図１に示すように、各信号電極の各相互作用開始点と各電極入力ポート５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄとの間には、それぞれ、入力端部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが形成されている。配線基板６上には、各チャンネルに対応する各配線９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄが形成されており、各配線は、対応する各ポート７Ａ〜７Ｄに接続されており、かつ、対応する各ポート５Ａ〜５Ｄに接続されている。接続方法は限定されず、例えばワイヤーボンディングでよい。
ここで、本発明では、パッケージの外側には可変位相変調器を設ける必要がない。また、光変調用基板２内では、各入力端部２０Ａ〜２０Ｄの各電気長は互いに異なっており、位相調整されていない。即ち、高周波側端面２ｃに近い信号電極４Ａの入力端部２０Ａの電気長は短く、端面２ｃから遠い信号電極４Ｄの入力端部２０Ｄの電気長は相対的に長い。したがって、各電極入力ポート５Ａ〜５Ｄにおける各信号の位相が合っていると、相互作用開始端Ｓでの位相は合わなくなる。ここで、配線基板６上の配線９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄの電気長を調整することで、入力ポート９Ａ〜９Ｄから相互作用開始端Ｓまでの電気長を合わせ、相互作用部に同じ位相で電気信号を印加できるようにする。
図４の光変調器は、２チャンネルの信号電極を用いた例である。本例では、光変調用基板２上に２チャンネルの信号電極４Ａ、４Ｂが形成されており、各信号電極に対してそれぞれ接地電極が形成されている。光変調用基板の側面２ｃ側には配線基板６が設置されており、配線基板６上に配線９Ａ、９Ｂが形成されている。配線９Ａ、９Ｂの一端は、それぞれ、各チャンネルの信号電極用ポート５Ａ、５Ｂに対して接続されており、他端は入力ポート７Ａ、７Ｂに接続されている。
光変調用基板２内では、各入力端部２０Ａと２０Ｂの各電気長は互いに異なっており、位相調整されていない。即ち、高周波側端面２ｃに近い信号電極４Ａの入力端部２０Ａの電気長は短く、端面２ｃから遠い信号電極４Ｂの入力端部２０Ｂの電気長は相対的に長い。したがって、各電極入力ポート５Ａ、５Ｂにおける各信号の位相が合っていると、相互作用開始端Ｓでの位相は合わなくなる。ここで、配線基板６上の配線９Ａ、９Ｂの電気長を調整することで、入力ポート７Ａ、７Ｂから相互作用開始端Ｓまでの電気長を合わせ、相互作用部３に同じ位相で電気信号を印加できるようにする。
配線基板材質は誘電損失（ｔａｎδ）が小さい材料を用いることが望ましい。低誘電損失の材料を用いることで、信号線路におけるマイクロ波損失が少なく、変調帯域を拡大することができる。特に、薄板型配線基板を別体の支持基板に対して低誘電率樹脂層によって接着する場合には、低誘電率樹脂層において誘電体損失が大きくなる。このため、配線基板を低誘電損失の材質から形成することで、更に顕著な効果が得られる。好適な実施形態においては、配線基板が等方性材質からなる。等方性材質とは、マイクロ波屈折率が方向によって等しい材質である。この場合には、配線基板における電気長を容易に設計できる。
こうした低誘電損失で等方性の基板材質としては、アルミナ、ガラスエポキシ積層板（ＦＲ−４）、テフロン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）を例示できる。しかし良好な高周波特性を持つ材質であれば特に限定なく用いることが出来る。
好適な実施形態においては、典型例としてＸカットニオブ酸リチウム基板を用いた場合、基板本体のマイクロ波屈折率が、基板本体の長手方向と幅方向とで異なっており、入力端部が、長手方向および幅方向に対して傾斜する傾斜部を備えている。例えば、図１に示す例では、基板本体１の長手方向Ｌのマイクロ波屈折率と幅方向Ｗのマイクロ波屈折率と異なっている。長手方向Ｌが単結晶のＹ軸であり、幅方向Ｗが単結晶のＺ軸である。各入力端部２０Ａ〜２０Ｄが、それぞれ傾斜部３０を備えており、各傾斜部３０が、基板本体の長手方向Ｌ、幅方向Ｗに対してそれぞれ傾斜している。また基板本体にＺカットニオブ酸リチウム基板を用いても良い。Ｚカット基板を用いた場合はＬ方向とＷ方向でマイクロ波屈折率は一致する。
これによって、基板本体上での各入力端部の電気長を最小限とすることができる。基板本体上での入力端部が長いと、前述した理由から製造ロットごとのバラツキの原因となる。従って、各入力端部にそれぞれ傾斜部を設けることが、製造ロットごとのバラツキを更に抑制するという観点から更に有用である。
傾斜部３０の長手方向Ｌに対する傾斜角度θは特に限定されないが、１５〜７５°が好ましく、３０〜６０°が更に好ましい。
また、光変調用基板の材質は、電気光学単結晶が好ましく、特に好ましくは ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
電気長調整用基板上の配線の平面的パターンは特に限定されず、コの字型、クランク形状であってよく、円弧などの湾曲形状でもよい。
信号電極、接地電極、配線の材質は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
また、電極の厚さはマイクロ波と光との速度整合が達成できる厚さであれば特に限定されないが、断線を防ぎ低い電極伝搬損失を実現するという観点からは、信号電極の厚さは１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上が好ましい。また、製造上の理由により、精度良く電極を形成し、製造チップ間での高周波電極特性やチャンネル間ディレイ差のばらつきを抑制するという観点からは、信号電極の厚さを３０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とすることが好ましい。
一方、配線の厚さは、製造上の理由によるチャンネル間のディレイ差を抑制するという観点からは、１０μｍ以下とすることが好ましい。配線については速度整合を考慮する必要がないので、電気信号を低損失で伝達可能であれば厚さの好適な下限は特になく、例えば０．５μｍ以上であればよい。また、配線の厚さは信号電極の厚さよりも小さいことが好ましく、この厚さの差は１μｍ以上が好ましい。
光導波路は、光変調用基板に形成されており、好ましくは基板の表面側に形成されている。光導波路は、基板の表面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板の表面上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板表面側に設けられているが、基板表面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。
光変調用基板、配線基板は、それぞれ、別体の支持基体へと接着することができる。この接着剤の種類は特に限定されないが、厚さ３００μｍ以下が適当である。また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損（低ｔａｎδ）を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン、アクリル系接着剤が例示できる。また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。
本発明においては、各電気長調整用基板における配線の電気長を互いに異ならせることによって、相互作用部への信号印加点における位相差を調整する。好適な実施形態においては、相互作用部への信号印加点における位相差が２ｐｓｅｃ以下となるようにする。

（実施例１）
図１〜図３を参照しつつ説明した光変調器を作製した。
具体的には、光変調用基板２の材質はニオブ酸リチウム単結晶とし、光導波路をチタン拡散法によって形成した。各信号電極、接地電極の材質は金であり、厚さは６μｍである。
配線基板６の材質は、高周波でも誘電損失が小さいアルミナを用いた。配線基板６上に金配線パターン９Ａ〜９Ｄを形成した。金配線パターンの厚みは２．５ミクロンである。配線９Ａ〜９Ｄは、４チャンネル間の電気信号の印加タイミングが同時となるように形成されている。電気長調整用基板６単体の挿入損失は０．３ｄＢであった。
光変調用基板を金属パッケージ１に実装し、高周波基板６及び終端抵抗器１１と各チャンネルをワイヤーボンディングにより接続した。高周波コネクタ７Ａ〜７Ｄは、コーニングギルバート社製ＧＰＰＯコネクタを用い、３．６ｍｍ間隔で４個を並列に配置した。
光ファイバをピグテイル接続し、光コンポーネントアナライザを用いて光変調特性を観察すると、変調帯域は３０ＧＨｚであった。また、４つのポート間の入力信号に対する被変調光のディレイの差を光コンポーネントアナライザを用いて測定すると、ポート間ディレイ差は最大でも１ｐｓｅｃ以下であった（室温２０°Ｃで測定）。ディレイとは、入力された電気信号が各高周波入力コネクタから相互作用開始端までの配線を伝搬するのに要する時間のことである。
また、環境温度を０〜８５°Ｃで変動させ、ポート間ディレイ差を測定したところ、最大でも１．３ｐｓｅｃ以下であった。更に、製造ロットの異なる３つのサンプルについて、室温でポート間ディレイ差を測定したところ、０．８、１．１および０．９ｐｓｅｃであった。
（比較例１）
図５に模式的に示すような光変調器を作製した。
具体的には、実施例１と同様にして、光変調用基板１および配線基板１２を製造した。本例では、光変調用基板１における各チャンネルの信号電極４Ａ〜４Ｄに対する信号入力タイミング調整が行われていない。このため、各チャンネルに可変位相補償器（フェーズシフター）１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄを接続し、チャンネル間のタイミングを調整した。各位相補償器と各電極入力ポート５Ａ〜５Ｄとの間には、高周波基板１２を設置し、その上に配線１３を設けた。配線１３は、単に高周波電気信号を仲介するものであり、同じ電気長を有しており、位相補償機能はない。
可変位相補償器はデバイスに対して大きいために、接続に要する高周波ケーブルを含めて光コンポーネントアナライザを用いて変調帯域を測定すると、１４ＧＨｚになった。可変位相補償器を調整した後、チャンネル間のディレイ差を測定すると、最大２ｐｓｅｃであった。そのまま計測を継続すると、周囲の環境温度とともにチャンネル間ディレイ差が５ｐｓｅｃに増加した。温度は２０°Ｃ〜２５°Ｃで変化した。
（比較例２）
図６に模式的に示すような光変調器を作製した。
具体的には、実施例１と同様にして、光変調用基板１および配線基板１２を製造した。本例では、光変調用基板１における各チャンネルの信号電極４Ａ〜４Ｄについては、各入力端部２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄを曲折させることによって、相互作用部への信号入力タイミングを調整している。このため可変位相補償器は設けていない。各入力ポート７Ａ〜７Ｄと電極入力ポート５Ａ〜５Ｄとの間には高周波基板１２を設け、基板１２上に配線１３を設けた。配線１３は、単に高周波電気信号を仲介するものであり、同じ電気長を有しており、位相補償機能はない。
この光変調器の変調帯域を測定すると、１８ＧＨｚであった。実施例１と比較して、光変調器上に設けた高周波入力コネクタから相互作用開始端までの配線長が８ｍｍと長くなる。この信号入力部の配線で１．８ｄＢの伝搬損失が観測された。このため変調帯域が狭くなったと考えられる。
また、チャンネル間ディレイ差を測定すると、２つのサンプルで３および５ｐｓｅｃであった。この原因としては光変調器チップにおいては相互作用部で速度整合を図るため、電極厚みは５−３０ミクロンと厚く設定され、このため電極形状を再現性よく作製するのは困難である。結果として製造ロット間で電極のマイクロ波特性が変化し、チャンネル間ディレイ差にばらつきが生じると考えられる。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。

Claims (4)

1. 光変調用基板、電気長調整用基板、前記光変調用基板と前記電気長調整用基板を収容するパッケージおよび複数の高周波電気信号入力ポートを備えている光変調器であって、
   前記光変調用基板が、電気光学材料からなる基板本体、この基板本体上に設けられた複数の信号電極、前記各信号電極と相互作用する光を伝搬する光導波路、および前記各信号電極へとそれぞれ前記高周波電気信号を入力する電極入力ポートを備えており、前記各信号電極が、前記光導波路と相互作用する相互作用部、前記電極入力ポートと前記相互作用部との間の入力端部、および前記相互作用部の下流側にある終端部を備えており、
   前記電気長調整用基板が、前記各入力端部および前記各高周波電気信号入力ポートに接続された各配線を備えており、前記配線の電気長が互いに異なっていることを特徴とする、光変調器。
2. 前記各相互作用部への信号印加端における前記高周波電気信号の位相差が１ｐｓｅｃ以下となるようにすることを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
3. 前記電気長調整用基板が等方性材質からなることを特徴とする、請求項１または２記載の光変調器。
4. 前記基板本体のマイクロ波屈折率が、前記基板本体の長手方向と幅方向とで異なっており、前記入力端部が、前記長手方向および前記幅方向に対して傾斜する傾斜部を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。

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