JP2012108238A

JP2012108238A - 光変調装置

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Publication number: JP2012108238A
Application number: JP2010255794A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Uesugi; 利次上杉; Hiroshi Ariga; 博有賀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-06-07
Also published as: CN102466898B; CN102466898A; US8488227B2; US20120120472A1

Abstract

【課題】広帯域にわたって入力電気信号の反射を低減することができる光変調装置を得ること。
【解決手段】アノード電極５を有する光変調器４と、整合抵抗８と、アノード電極５と接続され、光変調器４への入力電気信号をアノード電極５へ伝送する第１のワイヤ３と、第１のワイヤ３と接続されたキャパシタンスを有する第１の導体パッド２と、アノード電極５と整合抵抗８とを接続する第２のワイヤ６と、第２のワイヤ６に接続されたキャパシタンスを有する第２の導体パッド７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器を備え、入力される電気変調信号に基づいて光変調信号を出力する光変調装置に関する。

光通信では、端末等から入力される電気信号を光信号に変換する光変調装置が用いられる。光変調装置では、光変調器（光変調素子）と光変調器を駆動する回路等を備える。光変調装置では入力される電気信号の反射（電気反射）を低減することが課題であり、例えば、従来の光変調装置では、光変調器への信号入力接続ワイヤに並列にキャパシタを付加することでワイヤのインダクタンス成分を補償し、インピーダンス整合を改善して電気反射を低減している（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００１−２０９０１７号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、上記従来の信号入力接続ワイヤへキャパシタを並列に付加することにより電気反射を低減している。このため、ワイヤのインダクタンスとキャパシタによる共振周波数付近での反射は低減できるが、広帯域にわたる反射低減が困難である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域にわたって入力電気信号の反射を低減することができる光変調装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電極を有する光変調器と、
整合抵抗と、前記電極と接続され、前記光変調器への入力電気信号を前記電極へ伝送する第１のワイヤと、前記第１のワイヤと接続された第１のキャパシタと、前記電極と前記整合抵抗とを接続する第２のワイヤと、前記第２のワイヤに接続された第２のキャパシタと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、広帯域にわたって入力電気信号の反射を低減することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の光変調装置の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１の光変調装置の電気的な等価回路の一例を示す図である。図３は、図２に示した等価回路を用いたシミュレーション結果の一例を示す図である。図４は、実施の形態３の光変調装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる光変調装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる光変調装置の実施の形態１の構成例を示す図である。図１は、本実施の形態の平面形状を表した概念図である。図１に示すように、本実施の形態の光変調器は、第１の導体パッド２と、第１のワイヤ（入力側ワイヤ）３と、光変調器４と、第２のワイヤ（出力側ワイヤ）６と、第２の導体パッド７と、整合抵抗８と、サブマウント基板９と、グランド導体１０と、で構成される。また、光変調器４は、アノード電極５を備える。また、図示していないが光変調器４にはカソード電極が裏面に形成されており、カソード電極はグランド導体１０と電気的に接続されている。

入力方向１は、本実施の形態の光変調装置へ入力される変調用の入力電気信号の流れる向きを示している。第１のワイヤ３は、例えば直径が２５μｍ程度で材質が金のワイヤであり、第１の導体パッド２と光変調器４のアノード電極５とに接続されている。光変調器４は、本実施の形態では電界吸収型変調器であるとする。

第２のワイヤ６は、例えば直径が２５μｍ程度で材質が金のワイヤであり、第２の導体パッド７と光変調器４のアノード電極５とに接続されている。また、サブマウント基板９は、例えば、厚みが０．２ｍｍ程度で材質が窒化アルミニウムの基板である。サブマウント基板９には、第１の導体パッド２および第２の導体パッド７が形成され、光変調器４が実装され、グランド導体１０が形成されている。

整合抵抗８は、サブマウント基板９上に薄膜抵抗としてパタン形成されており、第２の導体パッド７と隣接接続されている。これにより、第２の導体パッド７と整合抵抗８との間にはワイヤ接続などによるインダクタンスは発生しない。なお、整合抵抗８と第２の導体パッド７は隣接接続されていなくてもよいが、インダクタンスの発生を避けるためにはパタン形成により隣接接続されていることが望ましい。

また、第１の導体パッド２および第２の導体パッド７は、サブマウント基板９上にパタン形成されている。なお、ここでは、整合抵抗８は薄膜抵抗としてパタン形成され、第１の導体パッド２および第２の導体パッド７はサブマウント基板９上にパタン形成される例を示したが、これらの構成要素の形状や形成方法はこの例に限定されない。

なお、以上述べた各構成要素の材質およびサイズは一例であり、上述の例に限定されない。また、図１の各構成要素の配置や形状等も図１に示した例に限定されない。

次に、本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態の光変調装置へ変調された入力電気信号が入力されると、第１の導体パッド２および第１のワイヤ３経由でアノード電極５へ入力電気信号が印加される。光変調器４では、印加された入力電気信号に応じて光吸収係数が変化するため、光変調器４から出力される光信号には入力電気信号に応じた変調が施される。

図２は、図１に示した光変調装置の電気的な等価回路の一例を示す図である。入力方向１１は、本実施の形態の光変調装置へ入力される変調用の入力電気信号の流れる向きを示している。キャパシタ１２は、第１の導体パッド２により形成されるキャパシタンスと同等の容量を有するキャパシタである。インダクタ１３は、第１のワイヤ３により発生するインダクタンスに対応する。

回路モデル１４は、光変調器４に対応する回路モデルである。回路モデル１４は、キャパシタ１８と、抵抗１９と、で構成される。インダクタ１５は、第２のワイヤ６により発生するインダクタンスに対応する。抵抗１６は、整合抵抗８と同様の抵抗値を有する抵抗である。キャパシタ１７は、第２の導体パッド７により形成されるキャパシタンスと同等の容量を有するキャパシタである。

図３は、図２に示した等価回路を用いたシミュレーション結果の一例を示す図である。図３では、図２に示した等価回路を前提とし、キャパシタ１２のキャパシタンスを０．０８ｐＦとし、インダクタ１３のインダクタンスを０．２ｎＨとし、キャパシタ１８のキャパシタンスを０．１８ｐＦとし、抵抗１９の抵抗値を１０Ωとし、インダクタ１５のインダクタンスを０．４ｎＨとし、キャパシタ１７のキャパシタンスを０．１ｐＦとし、抵抗１６の抵抗値を５０Ωとして場合のシミュレーション結果を示している。なお、このシミュレーションで仮定した各数値は一例であり、光変調器４の各構成要素の特性はこれらの数値に限定されない。

図３では、横軸を周波数とし、縦軸を入力電気信号の電力反射量を示している。シミュレーション結果２１は、図２の回路構成で第２の導体パッド７に相当するキャパシタ１７が存在しない構成とした場合のシミュレーション結果を示し、シミュレーション結果２２は、キャパシタ１７が存在する構成（図２の回路構成そのもの）の場合のシミュレーション結果を示している。

図３に示すように、キャパシタ１７がない場合のシミュレーション結果２１では、０ＧＨｚから４０ＧＨｚまでの広帯域において最大−９ｄＢまで反射が増大する。これに対し、キャパシタ１７がある場合のシミュレーション結果２２では、最大の反射量を−１４ｄＢ以下に低減することができる。

シミュレーション結果２１、２２ともに３８ＧＨｚ付近の周波数において反射特性にディップがあるが、これは第１の導体パッド２に対応するキャパシタ１２と第１のワイヤ３に対応するインダクタ１３との共振に起因する。シミュレーション結果２２では、２０ＧＨｚ付近の周波数においても反射特性にディップがあり、これは第２の導体パッド７に対応するキャパシタ１７と第２のワイヤ６に対応するインダクタ１５との共振に起因する。

すなわち、本実施の形態では上記の２つの共振を利用することで０から４０ＧＨｚ程度までの広帯域にわたる低反射化を実現でき、４０Ｇｂｐｓ級の高速デジタル信号伝送においても良好な信号伝送が実現可能になる。

なお、上述の共振が生じる２つの周波数（共振周波数）は、それぞれインダクタ１３のインダクタンスとキャパシタ１２のキャパシタンスとの関係、またはインダクタ１５のインダクタンスとキャパシタ１７のキャパシタンスとの関係に依存する。したがって、所望の周波数で共振するような特性を実現するには、例えば、インダクタ１３およびインダクタ１５（すなわち、第１のワイヤ３および第２のワイヤ６）のインダクタンスを見積もり、２つの共振周波数がそれぞれ所望の周波数となるようキャパシタ１２およびキャパシタ１７（すなわち第１の導体パッド２および第２の導体パッド７）のキャパシタンスを決定すればよい。

また、逆にキャパシタ１２およびキャパシタ１７を先に決定して、インダクタ１３およびインダクタ１５のインダクタンスを調整してもよい。キャパシタ１２およびキャパシタ１７と、インダクタ１３およびインダクタ１５と、の両方を調整して所望の周波数となるようにしてもよい。なお、例えば第１の導体パッド２および第２の導体パッド７は、面積を調整することによりキャパシタンスを所望の値とする。

なお、本実施の形態では、キャパシタ１２およびキャパシタ１７として導体パッド（第１の導体パッド２および第２の導体パッド７）を用いるようにしたが、キャパシタ１２およびキャパシタ１７として導体パッド以外のキャパシタとして機能する部品をそれぞれ追加してもよい。

このように、本実施の形態では、光変調器４の入力側に接続する第１のワイヤ３に並列に接続されるキャパシタ１２（第１の導体パッド２）と、光変調器４の整合抵抗８側に接続する第２のワイヤ６に並列に接続されるキャパシタ１７（第２の導体パッド７）と、を備えるようにした。このため、２つの共振を利用することで０から４０ＧＨｚ程度までの広帯域にわたる低反射化を実現でき、４０Ｇｂｐｓ級の高速デジタル信号伝送においても良好な信号伝送が実現可能になる。

実施の形態２．
次に、本発明にかかる光変調装置の実施の形態２の構成例を説明する。実施の形態１では、キャパシタ１２，１７を、それぞれ第１の導体パッド２，第２の導体パッド７により形成しているが、本実施の形態では、キャパシタ１２，１７としてInterdigital capacitor構造（櫛歯状導体パタン）のキャパシタを用いる。

Interdigital capacitor構造（櫛歯状導体パタン）は、例えば、論文誌「IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques」のVolume 18，Issue 12の「Interdigital Capacitors and Their Application to Lumped-Element Microwave Integrated Circuits」のpage 1029のFig.1に記載されている。このような櫛歯状導体パタンを用いてキャパシタを形成することにより、所望のキャパシタンスを実現する場合、導体パッドの面積拡大で実現する場合に比べ小面積での実現が可能となる。以上述べた以外の本実施の形態の構成および動作は、実施の形態１と同様である。

このように、本実施の形態では、キャパシタ１２，１７を櫛歯状導体パタンにより形成するようにした。このため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、実施の形態１に比べキャパシタ１２，１７に対応する構成要素を小面積化することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明にかかる光変調装置の実施の形態３の構成例を示す図である。図４は、本実施の形態の平面形状を表した概念図である。図４に示すように、本実施の形態の光変調装置は、第１の導体パッド２２ａ，３２ｂと、第１のワイヤ３３ａ，３３ｂと、光変調器３４と、第２のワイヤ３６ａ，３６ｂと、第２の導体パッド３７ａ，３７ｂと、整合抵抗３８ａ，３８ｂと、サブマウント基板３９と、グランド導体４０と、で構成される。また、光変調器３４は、正相側のアノード電極３５ａと、逆相側のアノード電極３５ｂと、を備える。

実施の形態１の光変調装置は光変調器４として電界吸収型変調器を用いたが、本実施の形態の光変調装置は、光干渉による消光を利用したマッハ・ツェンダ型の光変調器３４を用い、光変調器３４の屈折率変調のための電圧駆動回路としての機能を有する。

図４に示すように、本実施の形態の光変調装置は、入力電気信号を差動信号とし、入力方向３１ａは正相の入力電気信号の流れの向きを示し、入力方向３１ｂは逆相の入力電気信号の流れの向きを示している。

第１の導体パッド２２ａ、第１のワイヤ３３ａ、第２のワイヤ３６ａ、第２の導体パッド３７ａおよび整合抵抗３８ａは、正相の入力電気信号が入力される側（正相側）に設定される。また、第１の導体パッド２２ｂ、第１のワイヤ３３ｂ、第２のワイヤ３６ｂ、第２の導体パッド３７ｂおよび整合抵抗３８ｂは、逆相の入力電気信号が入力される側（逆相側）に設定される。

第１のワイヤ３３ａは、例えば直径２５μｍ程度で材質が金のワイヤであり、正相側の第１の導体パッド３２ａおよびアノード電極３５ａと接続されている。光変調器３４は、マッハ・ツェンダ型の光変調器（材料はニオブ酸リチウム、半導体、等）である。第２のワイヤ３６ａは、例えば直径２５μｍ程度で材質が金のワイヤであり、第２の導体パッド３７ａおよびアノード電極３５ａと接続されている。

同様に、第１のワイヤ３３ｂは、例えば直径２５μｍ程度で材質が金のワイヤであり、逆相側の第１の導体パッド３２ｂおよびアノード電極３５ｂと接続されている。第２のワイヤ３６ｂは、例えば直径２５μｍ程度で材質が金のワイヤであり、第２の導体パッド３７ｂおよびアノード電極３５ｂと接続されている。

サブマウント基板３９は、例えば厚みが０．２ｍｍ程度で材料が窒化アルミニウムの基板である。サブマウント基板３９上に、正相側の第１の導体パッド２２ａ、第２の導体パッド３７ａおよび整合抵抗３８ａが形成され、逆相側の第１の導体パッド２２ｂ、第２の導体パッド３７ｂおよび整合抵抗３８ｂが形成され、光変調器３４が実装されている。グランド導体４０は、サブマウント基板３９のグランド導体である。

また、正相側の整合抵抗３８ａおよび逆相側の整合抵抗３８ｂは、サブマウント基板３９上に薄膜抵抗として形成されている。また、整合抵抗３８ａ，３８ｂは、それぞれ正相側の第２の導体パッド３７ａ，逆相側の第２の導体パッド３７ｂと各々隣接接続されている。これにより、正相側の第２の導体パッド３７ａと整合抵抗３８ａの間、および逆相側の第２の導体パッド３７ｂと整合抵抗３８ｂの間には、ワイヤ接続などによるインダクタンスは発生しない。

また、図示していないが光変調器３４にはカソード電極が裏面に形成されており、カソード電極はグランド導体４０と電気的に接続されている。なお、図４の構成例で、正相と逆相の定義を入れ替えてもよい。

本実施の形態では、正相側と逆相側のそれぞれが、実施の形態１と同様に２つの導体パッド（キャパシタ）を備えることにより２つの共振を生じさせ、実施の形態１と同様に電気反射を低減させる。

また、本実施の形態では、入力電気信号を差動化して差動駆動としているが、片相のみを用いた単相駆動の場合も同様に２つの導体パッド（キャパシタ）を備えることにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。このように、用いる光変調器の仕様に合わせて構成の選択が可能である。

また、本実施の形態では、光変調器３４としてマッハ・ツェンダ型の光変調器を用いているがこれに限らず他の光変調器を用いて、差動化信号により駆動する場合にも、本実施の形態と同様に、正相側と逆相側のそれぞれに、実施の形態１と同様に２つの導体パッド（キャパシタ）を備えるようにすればよい。

なお、本実施の形態では、キャパシタとして実施の形態１と同様に導体パッドを用いる例を説明したが、実施の形態２と同様に櫛歯状導体パタンにより形成したキャパシタを用いてもよい。

以上のように、本実施の形態では、入力電気信号を差動化した場合に、正相と逆相とそれぞれについて、実施の形態１と同様に２つの導体パッド（キャパシタ）を備えるようにした。このため、入力電気信号を差動化した場合にも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる光変調装置は、入力される電気変調信号に基づいて光変調信号を出力する光変調装置に有用であり、特に、高速デジタル信号を伝送する通信システムにおける光変調装置に適している。

１，１１，３１ａ，３１ｂ入力方向
２，３２ａ，３２ｂ第１の導体パッド
３，３３ａ，３３ｂ第１のワイヤ
４，３４光変調器
５，３５ａ，３５ｂアノード電極
６，３６ａ，３６ｂ第２のワイヤ
７，３７ａ，３７ｂ第２の導体パッド
８，３８ａ，３８ｂ整合抵抗
９，３９サブマウント基板
１０，４０グランド導体
１２，１７キャパシタ
１３，１５インダクタ
１４回路モデル
１６抵抗
２１，２２シミュレーション結果

Claims

電極を有する光変調器と、
整合抵抗と、
前記電極と接続され、前記光変調器への入力電気信号を前記電極へ伝送する第１のワイヤと、
前記第１のワイヤと接続された第１のキャパシタと、
前記電極と前記整合抵抗とを接続する第２のワイヤと、
前記第２のワイヤに接続された第２のキャパシタと、
を備えることを特徴とする光変調装置。
前記第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを導体パッドとする、ことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
前記光変調器を搭載するサブマウント基板、
をさらに備え、
前記導体パッドは、サブマウント基板上にパタン形成される、ことを特徴とする請求項２に記載の光変調装置。
前記光変調器を搭載するサブマウント基板、
をさらに備え、
前記第１のキャパシタおよび第２のキャパシタは、前記サブマウント基板上に櫛歯状導体パタンとして形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
前記整合抵抗を、前記サブマウント基板上にパタン形成した薄膜抵抗とする、ことを特徴とする請求項３または４に記載の光変調装置。
前記整合抵抗と前記キャパシタは、前記サブマウント上で隣接接続するようパタン形成される、ことを特徴とする請求項５に記載の光変調装置。
前記第１のワイヤと前記第１のキャパシタとにより前記光変調器の帯域内で共振が生じるように前記第１のキャパシタのキャパシタンスが決定され、前記第２のワイヤと前記第２のキャパシタとにより前記光変調器の帯域内で共振が生じるように前記第２のキャパシタのキャパシタンスが決定される、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光変調装置。
前記第１のワイヤと前記第１のキャパシタとにより生じる共振の共振周波数と、前記第２のワイヤと前記第２のキャパシタとにより生じる共振の共振周波数と、が互いに異なる、ことを特徴とする請求項７に記載の光変調装置。
前記光変調器を電界吸収型変調器とする、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光変調装置。
前記光変調器をマッハ・ツェンダ干渉型変調器とする、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光変調装置。
前記入力電気信号を差動化信号とし、
正相と逆相の前記入力電気信号ごとに、前記第１のワイヤ、前記第１のキャパシタ、前記第２のワイヤ、前記整合抵抗および前記第２のキャパシタを備える、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光変調装置。