JP6288153B2

JP6288153B2 - 光変調器

Info

Publication number: JP6288153B2
Application number: JP2016090007A
Authority: JP
Inventors: 加藤　圭; 圭加藤; 徳一宮崎; 清水　亮; 亮清水
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: JP2017198868A

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、２波長集積型などの高集積型変調器の構造に関する。

光通信システムの高速化、大容量化が進む中で、それに使用される光変調器の高性能化、高密度化が進んでいる。また、光変調器の小型化の要請に伴い、光変調器を構成する基板の小型化も進められている。しかしながら、光変調器の高性能化と、高密度化及び小型化とは相反する要求であるため、これらを両立するための工夫が求められている。

このような光変調器に関し、以下のような発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、基板上に第１の光変調部と第２の光変調部とを幅方向に並列に設け、該基板の一方の側部に隣接させて、変調用の電気信号を中継する中継基板を配置した構造の光変調器が開示されている。

特開２０１５−１７２６３０号公報

近年、２波長集積型などの高集積型光変調器が開発されている。図１には、従来の２波長集積型ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying）変調器の構成例を示してある。同図の光変調器は、波長λ１の光波が入力される光変調領域Ｍ１と、波長λ１とは異なる波長λ２の光波が入力される光変調領域Ｍ２とを有し、これら光変調領域Ｍ１，Ｍ２は互いに独立して動作するように構成される。

光変調領域Ｍ１，Ｍ２の各々は、電気光学効果を有する基板１上に、光導波路２と、光導波路２を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極３と、光導波路２を伝搬する光波を検出するための受光素子４とを備えている。制御電極３は、制御信号の一種であるＲＦ信号（変調信号）が印加されるＲＦ電極３ａや、制御信号の一種であるＤＣ信号（バイアス電圧）が印加されるＤＣ電極３ｂ，３ｃなどで構成される。

各光変調領域Ｍ１，Ｍ２の光導波路２は、マッハツェンダー型光導波路を入れ子型に多重に配置した構造となっており、これに相応して多数の制御電極３や受光素子４が設けられている。同図では、光変調領域Ｍ１，Ｍ２のそれぞれに、４つのＲＦ電極３ａと、６つのＤＣ電極３ｂ，３ｃと、２つの受光素子４を設けてある。
光変調領域Ｍ１の下流には偏波合成部（不図示）が配置され、メインとなるマッハツェンダー型光導波路の出力側アーム部を伝搬する光波を偏波合成部で合成して、光変調器に接続された光ファイバに出力する。光変調領域Ｍ２についても同様である。偏波合成部は、空間光学系を用いて偏波合成を行う構造のものや、光導波路を用いて偏波合成を行う構造のものなどがある。

基板１の光変調領域Ｍ２側の辺部に隣接させて、ＲＦ電極３ａに対するＲＦ信号を中継する高周波信号用の中継基板１１と、ＤＣ電極３ｂ，３ｃに対するＤＣ信号や受光素子４で検出した受光信号を中継する低周波信号用の中継基板１２が配置されている。また、基板１の光変調領域Ｍ１側の辺部には、光変調領域Ｍ１のＲＦ電極３ａに対するＲＦ信号を終端する終端基板１３が配置され、基板１の光変調領域Ｍ２側の辺部には、光変調領域Ｍ２のＲＦ電極３ａに対するＲＦ信号を終端する終端基板１４が配置されている。

上記のように基板１の片側に中継基板１１，１２を配置する構造だと、高周波信号用の中継基板１１や低周波信号用の中継基板１２に接続される入出力端子（ＤＣピンやＲＦコネクタなど）を筐体６の同一な側面に配置することができるので、光変調器を取り扱いやすくなるという利点がある。しかしながら、多数の制御電極３（３ａ，３ｂ，３ｃ）や受光素子４を配置した基板（チップ）では、それらの部品に接続する信号線路（電気線）の配線の自由度が少ない。特に中継基板１１，１２に近い側の光変調領域Ｍ２は、光変調領域Ｍ２に対する信号線路だけでなく、光変調領域Ｍ１に対する信号線路の一部も配設されることになるため、信号線路の複雑化が顕著になる。その結果、制御電極３（３ａ，３ｂ，３ｃ）に対する信号線路の長さにバラツキが生じやすい。例えば、ＲＦ電極３ａに対する信号線路５ａ，５ｂの各々で長さにバラツキが生じることで、各ＲＦ電極３ａに対するＲＦ信号にスキュー（時間遅延）が発生したり、各々の信号線路で伝搬損失差が生じる懸念がある。また、信号線路の長さが長くなると伝搬損失が増加したり、信号線路間でクロストークが発生する可能性があるという問題もある。

本発明が解決しようとする課題は、上記のような問題を解決し、制御電極に対する信号線路の長さのバラツキを抑えた光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光変調器は、以下のような技術的特徴を有する。
（１）筐体と、該筐体内部に配置される電気光学効果を有する２つの基板と、前記２つの基板にそれぞれ形成された、光導波路及び該光導波路を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極とを有する光変調器において、前記２つの基板の間には中継信号線路が形成された中継基板が配置され、該制御電極と該中継信号線路は電気的に接続され、該制御信号は該中継信号線路を介して入力されることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光変調器において、該筐体外部の底面には該中継信号線路に接続されたピンが配置され、該制御信号は、該ピンを介して入力されることを特徴とする。

（３）上記（２）に記載の光変調器において、該制御信号は２０Ｇｂｐｓ以上の変調信号であることを特徴とする。

（４）上記（２）又は（３）に記載の光変調器において、該ピンの制御信号が入力される側における変調器外部の信号線路との接続構造はコネクタであることを特徴とする。

（５）上記（１）に記載の光変調器において、該筐体外部の底面側にはフレキシブル信号線路が形成されたフレキシブル基板が配置され、該フレキシブル信号線路の一端は該中継信号線路に電気的に接続され、該制御信号は該フレキシブル信号線路の他端を介して入力されることを特徴とする。

（６）上記（５）に記載の光変調器において、該制御信号のスキューの調整は該フレキシブル基板に配置された該フレキシブル信号線路で行うことを特徴とする。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光変調器において、前記２つの基板における該制御電極は前記２つの基板間の中心線に対して線対称に配置されることを特徴とする。
（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光変調器において、前記２つの基板の各光導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子を設け、前記２つの基板の間に配置された中継基板が、該受光素子で検出した受光信号を該筐体の外部に出力する際の中継に用いられることを特徴とする。

本発明の光変調器は、筐体と、該筐体内部に配置される電気光学効果を有する２つの基板と、前記２つの基板にそれぞれ形成された、光導波路及び該光導波路を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極とを有する光変調器において、前記２つの基板の間には中継信号線路が形成された中継基板が配置され、該制御電極と該中継信号線路は電気的に接続され、該制御信号は該中継信号線路を介して入力されるため、制御電極に対する信号線路の長さのバラツキを抑えた光変調器を提供することができる。

従来の２波長集積型ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の構成例を示す平面図である。本発明の第１実施例に係る光変調器を説明する平面図である。本発明の第１実施例に係る光変調器を説明する断面図である。本発明の第２実施例に係る光変調器を説明する断面図である。

以下、本発明に係る光変調器について詳細に説明する。
本発明に係る光変調器は、例えば図２に示すように、筐体６と、該筐体内部に配置される電気光学効果を有する２つの基板１Ａ，１Ｂと、２つの基板１Ａ，１Ｂにそれぞれ形成された、光導波路２及び該光導波路を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極３とを有する。２つの基板１Ａ，１Ｂの間には中継信号線路（不図示）が形成された中継基板１１，１２が配置され、制御電極３と中継信号線路は電気的に接続され、制御信号は中継信号線路を介して入力される。

基板１Ａ，１Ｂとしては、石英、半導体など光導波路を形成できる基板であれば良く、特に、電気光学効果を有する基板である、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム），ＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶などを用いた基板が好適に利用可能である。

基板１Ａ，１Ｂに形成する光導波路２は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路となる部分の両側に溝を形成したリブ型光導波路や光導波路部分を凸状としたリッジ型導波路も利用可能である。また、ＰＬＣ等の異なる導波路基板に光導波路を形成し、これらの導波路基板を貼り合せ集積した光回路にも、本発明を適用することが可能である。

基板１Ａ，１Ｂには、光導波路２を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極３が設けられる。制御電極３としては、変調電極を構成するＲＦ電極３ａやこれを取り巻く接地電極（不図示）、ＤＣ信号を印加するＤＣ電極３ｂ、３ｃなどがある。これら制御電極３は、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。

基板１Ａ，１Ｂの各々の光変調領域を構成する光導波路２は、マッハツェンダー型導波路を入れ子型に多重に配置した構造となっており、これに相応して多数の制御電極３や受光素子４が設けられている。同図では、基板１Ａ，１Ｂのそれぞれに、４つのＲＦ電極３ａと、６つのＤＣ電極３ｂ，３ｃと、２つの受光素子４を設けてある。

本発明に係る光変調器の主な特徴は、基板１Ａ，１Ｂの間に、中継信号線路（不図示）が形成された中継基板１１，１２が配置され、制御電極３と中継信号線路は電気的に接続され、制御信号は中継信号線路の一端から入出力されることである。本明細書では、基板の長さ方向を「Ｘ方向」とし、基板の幅方向を「Ｙ方向」とする。Ｘ方向は光波の進行方向（図中の矢印Ｘの方向）に対応し、これに直交する方向（図中の矢印Ｙの方向）がＹ方向となる。以下、実施例を参照して詳細に説明する。なお、光変調器の概略的な構成は、図１を参照して説明した従来の光変調器と同様である。

図２は、本発明の第１実施例に係る光変調器を説明する平面図であり、図３は、図２におけるＡ−Ａ’断面図である。
本例の光変調器は、筐体６の内部底面（筐体外部の底面に対向する筐体内部の面）に、２つの基板１Ａ，１ＢをＹ方向に並列に配置してある。基板１Ａと基板１Ｂの間には、ＲＦ電極３ａに対するＲＦ信号を中継する高周波信号用の中継基板１１と、ＤＣ電極３ｂ，３ｃに対するＤＣ信号を中継する低周波信号用の中継基板１２が配置される。中継基板１２は、受光素子４で検出した受光信号を外部に出力する際の中継に用いることもできる。

中継基板１１，１２には中継信号線路（不図示）が形成されている。中継信号線路は、一方の端部が基板１Ａ，１Ｂの制御電極３に対する信号線路と電気的に接続され、他方の端部にピン２１が接続される。すなわち、中継信号線路は、制御電極３と電気的に接続され、ピン２１から入出力される制御信号を制御電極３との間で中継する。図２では、基板１ＡのＲＦ電極３ａに対する信号線路５ａと、基板１ＢのＲＦ電極３ａに対する信号線路５ｂを示しているが、他の信号線路は省略している。

このように、基板１Ａと基板１Ｂの間に、これらの基板に対する制御信号を中継する中継基板１１，１２を配置することで、従来技術のように信号線路が局所的に集中することがなくなる。すなわち、一方の光変調領域（Ｍ２）に、他方の光変調領域（Ｍ１）に対する信号線路の一部を配設させずに済むようになる。また、信号線路の長さは、中継基板１１，１２上の中継信号線路の配設の仕方により調整できる。このため、信号線路の長さを揃えやすくなり、信号線路の長さのバラツキによる制御信号のスキュー（位相ずれ）を抑制できる。

また、信号線路の長さの調整は中継基板１１，１２上の中継信号線路で行えるので、伝搬損失が大きい基板１Ａ，１Ｂ上の信号線路をなるべく短くすることで、信号線路全体での伝搬損失を抑え、また信号線路間でクロストークの発生を抑制することが可能となる。更に、１枚の基板（チップ）に多数の光変調領域を形成するのではなく、本例のようにチップを分離した構造にすることで、チップ製造の歩留りを改善する効果も得られる。

また、本例の光変調器において、中継基板１１，１２に形成された中継信号線路には、図３に示すように、中継基板１１，１２から筐体６の底面を貫通するように延びるピン２１の一端が電気的に接続されている。ピン２１の他端は制御信号の入出力のため変調器外部の信号線路と接続される。ピン２１の他端側（制御信号が入力される側）における変調器外部の信号線路との接続構造としては、制御信号がＤＣ信号の場合、ピン２１をそのまま利用してもよい。また制御信号がＲＦ信号の場合、ピン２１の他端側における当該構造はＧＰＰＯやＧ３ＰＯなどのコネクタとしてもよい。

このように、筐体６の底面から出たピン２１を介して制御信号を入出力する構成とすることで、ピン２１の他端から制御電極３に至る信号線路の長さを短縮できる。その結果、スキューの低減、信号線路間の伝搬損失のバラツキの低減、信号線路トータルとしての伝搬損失の低減といった効果を得ることができる。

また、本例の光変調器は、基板１Ａにおける各制御電極３と基板１Ｂにおける各制御電極３を、基板１Ａと基板１Ｂの間の中心線（図中の一点鎖線Ｃ）に対して線対称に配置している。このため、光変調器外部もしくは内部の温度変化により基板１Ａや基板１Ｂに熱応力が発生した場合でも、基板１Ａや基板１Ｂに対する熱応力が一点鎖線Ｃに対して対称に発生するため、基板１Ａと基板１Ｂ間の光学特性や電気特性の劣化のバラつきを抑制することができる。また、従来のように中継基板１１，１２を基板１Ａもしくは基板１Ｂの筐体内壁側の同じ側面に配置せず、基板１Ａと基板１Ｂの間に中継基板１１，１２を配置しているため、上記構成と相俟って相乗的な効果を得ることができる。また、基板１Ａや基板１Ｂにおける光導波路も一点鎖線Ｃに対して対称に配置した場合、更に上記効果を高めることができる。

図４は、本発明の第２実施例に係る光変調器を説明する断面図である。
本例の光変調器は、筐体６の外部の底面側に、信号線路（フレキシブル信号線路）が形成されたフレキシブル基板２３を配置してある。中継基板１１，１２に形成された中継信号線路には、中継基板１１，１２から筐体６の底面を貫通するように延びるピン２１の一端が電気的に接続されている。また、ピン２１の他端はフレキシブル信号線路の一端と電気的に接続されている。制御電極３に対する制御信号は、フレキシブル信号線路の他端から入出力される。

このように、制御電極３に対する制御信号の信号経路の一部を、基板１Ａや基板１Ｂなどより伝搬損失が小さいフレキシブル信号線路で形成することで、制御信号の伝搬損失を低減することができる。特に、信号経路においてフレキシブル信号線路で形成する区間の割合を多くし、基板１Ａ，１Ｂ上の信号線路を最小限に抑えることで、信号線路トータルとしての伝搬損失を低減することができる。また、スキューの調整を、配線取り回しが容易なフレキシブル信号線路の区間で行うことで、基板１Ａ，１Ｂ上の配線を簡素化でき、設計自由度の改善を図ることができる。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。
一例として、ＤＣ信号とＲＦ信号を、筐体の互いに異なる面に配置されたピンやコネクタからそれぞれ入出力する構成とすることができる。
この場合、例えば、筐体の互いに異なる面に配置されたピンやコネクタは、変調器外部の信号線路と接続される部分におけるＤＣ信号の伝搬方向とＲＦ信号の伝搬方向が直交するように配置する構成としてもよい。こうすることで、ＤＣ信号の伝搬方向とＲＦ信号の伝搬方向が直交するためＤＣ信号とＲＦ信号との間のクロストークが抑制できる。また、筐体の同一面にピンとコネクタを配置した従来の構成と比較して、ピンとコネクタの距離を大きくすることができるため、ＤＣ信号の伝搬方向とＲＦ信号の伝搬方向が直交することとの相乗効果により、ＤＣ信号とＲＦ信号との間のクロストークを効果的に抑制することができる。

また、例えば、筐体の底面と側面にピンやコネクタをそれぞれ配置し、ＤＣ信号は筐体の側面に配置されたピンやコネクタから入出力し、ＲＦ信号は筐体の底面に配置されたピンやコネクタから入出力する構成としてもよい。このような構成の場合でも、ＲＦ信号の信号線路の長さを短縮することができ、スキューの低減、信号線路間の伝搬損失のバラツキの低減、信号線路トータルとしての伝搬損失の低減といった効果を得ることができる。
尚、本発明の効果は変調信号が２０Ｇｂｐｓ未満でも一定の効果が得られるが、変調信号が２０Ｇｂｐｓ以上の場合、信号線路全体での伝搬損失の抑制及び信号線路間でクロストーク発生の抑制の面で更に高い効果を奏することができる。

また、基板１Ａ，１Ｂや中継基板１１，１２における筐体内部の面との固定面は、基板や中継基板の全面でなくともよい。例えば、基板や中継基板の一部を固定面とすることで、環境温度の変化に伴う基板や中継基板への応力の発生を緩和できるため、環境温度に対する変調特性の劣化を抑制することができる。また、筐体内部に配置される基板１Ａ，１Ｂや中継基板１１，１２は、筐体内部の面に接着剤や半田等により固定されてもよいし、基板や中継基板と筐体内部の面との間に他の部材を介して固定してもよい。

以上、説明したように、本発明によれば、制御電極に対する信号線路の長さのバラツキを抑えた光変調器を提供することができる。

１基板
２光導波路
３制御電極
３ａＲＦ電極
３ｂ，３ｃＤＣ電極
４受光素子
５ａ，５ｂ信号線路
６筐体
１１，１２中継基板
１３，１４終端基板
２１ピン
２３フレキシブル基板

Claims

筐体と、
該筐体内部に配置される電気光学効果を有する２つの基板と、
前記２つの基板にそれぞれ形成された、光導波路及び該光導波路を伝搬する光波を制御信号により制御するための制御電極とを有する光変調器において、
前記２つの基板の間には中継信号線路が形成された中継基板が配置され、
該制御電極と該中継信号線路は電気的に接続され、
該制御信号は該中継信号線路を介して入力されることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、
該筐体外部の底面には該中継信号線路に接続されたピンが配置され、
該制御信号は、該ピンを介して入力されることを特徴とする光変調器。
請求項２に記載の光変調器において、
該制御信号は２０Ｇｂｐｓ以上の変調信号であることを特徴とする光変調器。
請求項２又は請求項３に記載の光変調器において、
該ピンの制御信号が入力される側における変調器外部の信号線路との接続構造はコネクタであることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、
該筐体外部の底面側にはフレキシブル信号線路が形成されたフレキシブル基板が配置され、
該フレキシブル信号線路の一端は該中継信号線路に電気的に接続され、
該制御信号は該フレキシブル信号線路の他端を介して入力されることを特徴とする光変調器。
請求項５に記載の光変調器において、
該制御信号のスキューの調整は該フレキシブル基板に配置された該フレキシブル信号線路で行うことを特徴とする光変調器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光変調器において、
前記２つの基板における該制御電極は前記２つの基板間の中心線に対して線対称に配置されることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光変調器において、前記２つの基板の各光導波路を伝搬する光波の一部を受光する受光素子を設け、前記２つの基板の間に配置された中継基板が、該受光素子で検出した受光信号を該筐体の外部に出力する際の中継に用いられることを特徴とする光変調器。