JP4956296B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は駆動電圧が低く、かつ高速で変調が可能な光変調器の分野に属する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れた伝送特性から１．５５μｍ帯の２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

［従来技術］
このＬＮ光変調器にはｚ−カットＬＮ基板を使用するタイプとｘ−カットＬＮ基板（あるいはｙ−カットＬＮ基板）を使用するタイプがある。ここでは、従来技術としてｚ−カットＬＮ基板と２つの接地導体を有し、基本モードの伝搬に有利なコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｚ−カットＬＮ光変調器をとり上げる。

実際に光伝送システムにおいて光変調器を使用する場合には、終端抵抗（あるいは、電気的終端）をパッケージ筐体（パッケージ、筐体、あるいは金属筐体）の中に実装したモジュールの形態であるので、ここではモジュールとして議論する。なお、以下の議論はｘ−カットＬＮ基板やｙ−カットＬＮ基板でも同様に成り立つ。

図４は特許文献１に開示されているｚ−カットＬＮ変調器モジュールの模式的な上面図である。１はｚ−カットＬＮ基板である（実際にはこの上にＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層を形成するがここでは省略する）。２はｚ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。また、位相変調器の場合は直線光導波路で良い。ＣＰＷ進行波電極は中心導体３ａ、接地導体３ｂ、３ｃからなっている。４は外部回路であるドライバーであり、５は信号源、６はＤＣ成分をカットするコンデンサである。

パッケージ７の中にはＬＮ基板１の上に形成された変調機能を有するＬＮ変調器の他に電気的終端８も内蔵されている。電気的終端８の詳しい構造を図５に示す。但し、本明細書では低周波におけるインダクタンスとキャパシタンスに起因するいわゆるＬＣ共振について議論するので、図５においては高周波電気信号に対する終端部は単に１２として一括して示している。

９はＤＣバイアスを印加するためのＡｕワイヤー、１０はＡｕワイヤー９とダンピング抵抗１１を接続する線路である。１２は高周波電気信号（あるいは、ＲＦ信号）用の電気的終端（終端部）で、高周波用のコンデンサ１４、１４´と高周波電気信号用の終端抵抗（通常は５０Ω弱）１５から構成されている。１６はダンピング抵抗１１とバイパスコンデンサ１７を接続する線路であり、線路１６と高周波電気信号用の電気的終端１２は線路１３により電気的に接続されている。

１９と１９´はバイパスコンデンサ１７に形成された電極であり、２０はバイパスコンデンサ１７の誘電体部（コンデンサ本体）である。１８はバイパスコンデンサ１７に接続された線路であり、筐体にアースされる。なお、通常、これらの電気部品はアルミナ基板や窒化アルミなどの誘電体基板１´の上に搭載されている。

次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明する。このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体３ａと接地導体３ｂ、３ｃ間に直流バイアス（以下、ＤＣバイアスという）と高周波電気信号とを印加する。

図６に示す電圧−光出力特性において、実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖ_ｂはその際のＤＣバイアス電圧である。

この図６に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖ_ｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。ＤＣバイアスＶ_ｂを適正に印加することはＬＮ光変調器の特性を有効に引き出すために極めて重要である。
特開２００３−２９５１３９号公報

ここで、この従来技術の問題点について考察する。図５からわかるように、線路１０と線路１６は通常数１００μｍ程度の幅の線路で構成されている。そして、これら線路１０、１６のインダクタンス（Ｌ）とバイパスコンデンサ１７のキャパシタンス（Ｃ）から発生するＬＣ共振はＬＮ光変調器の低周波での特性を劣化させるためにこのＬＣ共振を抑圧することが重要となる。線路１０と線路１６の幅が規定されているので、ＬＣ共振を減衰させるためのダンピング抵抗１１も同じ幅で規定される。そのため、通常は薄膜抵抗で形成されている。その結果、このダンピング抵抗１１を形成するには、フォトリソ工程と真空蒸着などの工程が必要であり、特に人件費の観点からコストが上昇する。

さらに、ダンピング抵抗１１の幅は前述のように細いのでプロセスの工程において、断線する場合がある。また、ダンピング抵抗１１はニクロムやタングステンなどの抵抗が大きな材料で構成し、Ａｕから成る線路１０や線路１６とは材料が異なるため、線路１０や線路１６からダンピング抵抗１１が剥離する場合がある。このように、線路１０、ダンピング抵抗１１、線路１６が電気的に導通しなくなる場合にはＤＣバイアスを印加することができないので、ＬＮ変調器としては使用できなくなる。これらの問題を解決したコストが低く、かつ断線などの危険性のない歩留まりの良い技術の実現が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、コストが低く、生産性が良い光変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１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を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極と、該電極に前記高周波電気信号に対する電気的終端が接続され、ＤＣバイアスが前記電気的終端を介して前記電極に入力される光変調器であって、前記電気的終端（２１）は、終端抵抗（１５）を含み、前記電極から伝搬されてきた前記高周波電気信号を終端する高周波電気信号用終端部（１２）と、前記ＤＣバイアスが前記高周波電気信号用終端部に入力される線路に接続されたバイパスコンデンサ（１７）と、前記バイパスコンデンサとアースとの間に設けられたダンピング抵抗（２３）と、を含むことを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、前記高周波電気信号用終端部（１２）は、前記電極に接続されたコンデンサ（１４、１４´）を含むことを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、前記ダンピング抵抗がチップ抵抗と薄膜抵抗の少なくとも一方であることを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、前記ダンピング抵抗の値が５Ω以上３ＫΩ以下の範囲にあることを特徴とする。

本発明の請求項５の光変調器は、前記基板が半導体基板であることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＣ共振を抑圧するダンピング抵抗を寸法が比較的大きな低周波用のバイパスコンデンサとアースとの間に設置する。従って、まずＬＮ変調器にＤＣバイアスを印加するための線路はＡｕなどの同じ材料で製作できるので、電気的な断線や剥離などの危険がない。また、バイパスコンデンサは比較的寸法が大きいので、ダンピング抵抗としてチップ抵抗を使うこともでき、コスト的にも安くなるとともに、電気的な断線の危険も極めて少ない。さらに、ダンピング抵抗として薄膜抵抗を使用する場合にも、やはり寸法を大きくすることができるので、電気的な断線の恐れが小さくなる。このように、本発明によれば、ＬＣ共振を効果的に抑圧しつつ、コストとＬＮ変調器の製作の歩留まりの観点から極めて有利となる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図４と図５に示した従来の実施形態と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［実施形態］
図１に本発明の実施形態のＬＮ光変調器についてその模式的な上面図を示す。ここで、２１が本発明において重要となる電気的終端である。その詳しい構造を図２に示す。なお、本明細書では低周波でのＬＣ共振に着目しているので、従来技術の場合と同じく高周波電気信号に対する終端部は１２として一括して示している。

図２からわかるように、Ａｕワイヤー９を接続している線路２２はバイパスコンデンサ１７と高周波電気信号用の終端部１２に接続されている。本発明においては線路２２とバイパスコンデンサ１７とにより生成されるＬＣ共振を、バイパスコンデンサ１７と、金属であるパッケージにアースする線路２４との間に設けたダンピング抵抗２３により減衰させている。

ＬＣ共振の共振周波数は１０ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ程度と大変低い周波数であるからダンピング抵抗２３としてプロセスが必要で人件費の観点から高価な薄膜抵抗ではなく、極めて安価なチップ抵抗でも電気的に充分機能する。

そして、従来技術と異なり、線路２２には薄膜終端抵抗が形成されておらず全体がＡｕからなる同一材料の線路なので断線する危険性が極めて小さい。また、ダンピング抵抗２３としてチップ抵抗を用いると、バイパスコンデンサ１７とチップ抵抗間における断線の危険性はほとんどない。このように本発明は、コスト的に安価であるばかりでなく、ＬＮ変調器をモジュールとして製作する時に歩留まりの良い構成と言える。また、ダンピング抵抗２３は、バイパスコンデンサ１７がショートした場合の保護抵抗としても機能するという利点もある。

なお、バイパスコンデンサ１７は低周波用なのでチップコンデンサである。つまりその寸法はミリメートルオーダーと比較的大きく、例えダンピング抵抗２３を薄膜抵抗で形成してもその寸法を大きくできるので、断線あるいは剥離する危険性はほとんどなく、歩留まりを高くすることが可能となる。なお、チップ抵抗と薄膜抵抗を組み合わせて用いても良いことは言うまでもない。

図３には本発明において、ダンピング抵抗２３が０Ω、１００Ω、１ＫΩの場合における光変調器モジュールとしての変調指数を示している。図から、ダンピング抵抗２３の大きさを大きくすると低周波におけるＬＣ共振が有効に抑圧できており、コストと歩留まりが著しく改善できる本発明の電気的な有効性を確認できる。なお、ダンピング抵抗２３の値があまりに大きいとバイパスコンデンサの特性へ影響を及ぼすのでその値としては、数１００Ωが適しているが、５Ωから３ＫΩの範囲で有効に機能することを確認した。

以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。また、光導波路としてはマッハツェンダ型光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。

また、以上の実施形態はｘ−カット、ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸、ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板にも適用可能であるし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良い。また、基板が半導体の場合についても本発明を適用できる。

以上のように、本発明に係る光変調器は、安価で、歩留まりが良い光変調器として有用である。

本発明の実施形態に係るＬＮ光変調器の模式的な上面図 本発明の実施形態に係る電気的終端を示す模式図 変調指数と周波数との関係を示すグラフ 従来技術に係る光変調器の模式的な上面図 従来技術に係る電気的終端を示す模式図 従来技術に係る光変調器の動作を説明する図

符号の説明

１：ｚ−カットＬＮ基板（基板、ＬＮ基板）
１´：誘電体基板
２：光導波路
３ａ：中心導体
３ｂ、３ｃ：接地導体
４：ドライバー
５：信号源
６：コンデンサ
７：パッケージ
８、２１：電気的終端
９：Ａｕワイヤー
１０、１３、１６、１８、２２、２４：線路
１１、２３：ダンピング抵抗
１２：高周波電気信号用の電気的終端（終端部）
１４、１４´：高周波用のコンデンサ
１５：高周波用の終端抵抗
１７：バイパスコンデンサ
１９、１９´：バイパスコンデンサの電極
２０：バイパスコンデンサの誘電体部

Claims (5)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光の位相を変調する高周波電気信号を印加するための中心導体及び接地導体からなる電極と、該電極に前記高周波電気信号に対する電気的終端が接続され、ＤＣバイアスが前記電気的終端を介して前記電極に入力される光変調器であって、
   前記電気的終端（２１）は、
   終端抵抗（１５）を含み、前記電極から伝搬されてきた前記高周波電気信号を終端する高周波電気信号用終端部（１２）と、
   前記ＤＣバイアスが前記高周波電気信号用終端部に入力される線路に接続されたバイパスコンデンサ（１７）と、
   前記バイパスコンデンサとアースとの間に設けられたダンピング抵抗（２３）と、を含むことを特徴とする光変調器。
2. 前記高周波電気信号用終端部（１２）は、前記電極に接続されたコンデンサ（１４、１４´）を含むことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記ダンピング抵抗がチップ抵抗と薄膜抵抗の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の光変調器。
4. 前記ダンピング抵抗の値が５Ω以上３ＫΩ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の光変調器。
5. 前記基板が半導体基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の光変調器。

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