JP6327197B2

JP6327197B2 - 光変調器

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Publication number: JP6327197B2
Application number: JP2015092290A
Authority: JP
Inventors: 利夫片岡; 加藤　圭; 圭加藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: WO2016175289A1; US10481464B2; CN107077015B; CN107077015A; JP2016212130A; US20170299940A1

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、基板に光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器に関する。

近年、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広帯域化や小型化が求められ、特に、光変調器を構成する各種部材の集積化が進んでいる。例えば、変調周波数が１００ＧＨｚ以上の光変調器では、４つの変調信号を集積した４チャンネル構造を備えている。しかも、光変調器内の信号配線の取り回しが複雑化し、光変調器の特性の劣化の原因にもなっている。

従来の光変調器は、集積化や実装性を優先していたため、例えば、図１に示すように、４チャンネルの電気信号の終端を一枚の終端基板で行っていた。図１は、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板１に、複数のマッハツェンダー型光導波路２を集積配置している。光導波路２（点線部分）は、第１分岐部２０により入力用導波路が２つの分岐導波路（２１，２２）に分岐し、各分岐導波路には、マッハツェンダー型光導波路（Ｍ１，Ｍ２）で構成される第１及び第２の変調部が接続されている。図１では、各変調部は、ネスト型光導波路で構成され、主マッハツェンダー型光導波路（Ｍ１，Ｍ２）に、さらに、副マッハツェンダー型光導波路（ｍ１〜ｍ４）を入れ子型に組み込んで、合計４つの変調領域を形成している。

また、各変調領域には変調信号を印加するための信号電極（ｓ１〜ｓ４）が設けられる。図１では、中継基板３から基板1内の信号電極を経て終端基板４に至る信号配線を実線（ｓ１〜ｓ４）で簡略化して示している。また、通常、信号電極を挟むように接地電極が配置されるが、図１では光変調器の構造が理解し易いように、接地電極は図示していない。中継基板３には、信号電極（ｓ１〜ｓ４）に対応した配線が形成されており、中継基板３と基板１との間は、金線などでワイヤーボンディング接続される。基板１内の信号電極（ｓ１〜ｓ４）の一方の端部は、中継基板３と金線で接続される入力部となっており、他方の端部は、終端基板４と別の金線で接続される出力部となっている。

図１では、４チャンネルの変調信号を終端させるため終端回路を、一つの終端基板４に構成している。図１のような構成では、一点鎖線の枠Ａで示すように、基板１上の光導波路を横切り、信号電極（ｓ３、ｓ４）を配置する必要がある。このような電極の配置構成は、光導波路を伝搬する光波が電極により吸収又は散乱され、光損失が過剰に発生するという問題が見られた。特に、１００ＧＨｚ以上の光変調器では、各光導波路の光損失のバラつきは、可能な限りゼロとなることが望ましい。なお、図１と同様に、全ての信号電極の出力部を、光波の伝搬方向（図１の右から左に向かう方向）に対して、基板１の左右のいずれか一方の側に集中して配置するものは、特許文献１などに開示されている。矢印Ｌ１は、基板１に入力される光波であり、矢印（Ｌ２，Ｌ３）は基板１から出力される光波である。

特許第５４３９８３８号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、各変調部や各変調領域に対応した光損失のバラつきを可能な限り抑制し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）基板に光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器において、該光導波路が、一つの入力光を二つに分岐する第１分岐部を備え、該第１分岐部で分岐した二つの分岐導波路に接続される第１及び第２の変調部であり、各変調部が一つ以上のマッハツェンダー型光導波路を組み合わせた構造を備え、該制御電極は、第１及び第２の変調部に変調信号を印加する信号電極を有し、全ての信号電極の入力部は、該光波が伝搬する方向に対して該基板の左右いずれか一方の側のみに配置され、該信号電極の出力部については、前記光波の伝搬方向に対し、前記第１又は第２の変調部が配置される側に、各変調部から導出される信号電極の出力部も配置され、各出力部の近傍には、該出力部に接続される終端回路を備えた終端基板が配置され、前記第１又は第２の変調部又は当該変調部の後段の光導波路にバイアス電圧を印加するため、該信号電極とは電気的に接続していないＤＣ配線を備え、かつ、該ＤＣ配線の該基板への入力部は、該信号電極の入力部と同じ、該基板の一方の側に配置され、該ＤＣ配線の少なくとも一部は、該終端基板の一部に形成されていることを特徴とする。
（２）基板に光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器において、該光導波路が、一つの入力光を二つに分岐する第１分岐部を備え、該第１分岐部で分岐した二つの分岐導波路に接続される第１及び第２の変調部であり、各変調部が一つ以上のマッハツェンダー型光導波路を組み合わせた構造を備え、該制御電極は、第１及び第２の変調部に変調信号を印加する信号電極を有し、全ての信号電極の入力部は、該光波が伝搬する方向に対して該基板の左右いずれか一方の側のみに配置され、該信号電極の出力部については、前記光波の伝搬方向に対し、前記第１又は第２の変調部が配置される側に、各変調部から導出される信号電極の出力部も配置され、各出力部の近傍には、該出力部に接続される終端回路を備えた終端基板が配置され、前記第１又は第２の変調部から導出される光波の一部をモニタすると共に該基板上に配置される受光素子と、該受光素子からの出力信号を導出するモニタ用配線とを備え、かつ、該モニタ用配線の該基板からの出力部は、該信号電極の入力部と同じ、該基板の一方の側に配置され、該モニタ用配線の少なくとも一部は、該終端基板の一部に形成されていることを特徴とする。

（３）上記（１）に記載の光変調器において、異なる信号電極に対して、該変調部における作用領域の開始部から該出力部までの配線の長さが等しくなるよう設定されていることを特徴とする。

（４）上記（１）又は（３）に記載の光変調器において、該終端基板に配置されている該ＤＣ配線には、１００Ω〜１０ｋΩの抵抗が設けられていることを特徴とする。

（５）上記（２）に記載の光変調器において、異なる信号電極に対して、該変調部における作用領域の開始部から該出力部までの配線の長さが等しくなるよう設定されていることを特徴とする。
（６）上記（２）又は（５）に記載の光変調器において、該終端基板の表面上に配置される該終端回路と該モニタ用配線との間に、溝が形成又は導体が配置されていることを特徴とする。

本発明により、基板に光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器において、該光導波路が、一つの入力光を二つに分岐する第１分岐部を備え、該第１分岐部で分岐した二つの分岐導波路に接続される第１及び第２の変調部であり、各変調部が一つ以上のマッハツェンダー型光導波路を組み合わせた構造を備え、該制御電極は、第１及び第２の変調部に変調信号を印加する信号電極を有し、全ての信号電極の入力部は、該光波が伝搬する方向に対して該基板の左右いずれか一方の側に配置され、該信号電極の出力部については、前記光波の伝搬方向に対し、前記第１又は第２の変調部が配置される側に、各変調部から導出される信号電極の出力部も配置されているため、光導波路を横切る制御電極の数を減少させることが可能となり、光損失の発生及びバラつきを抑制することが可能となる。

従来の光変調器の概略を示す図である。本発明に係る光変調器の第１の実施例を説明する概略図である。本発明に係る光変調器の第２の実施例を説明する概略図である。本発明に係る光変調器の第３の実施例を説明する概略図である。

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、図２に示すように、基板１に光導波路２と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器において、該光導波路２が、一つの入力光を二つに分岐する第１分岐部２０を備え、該第１分岐部で分岐した二つの分岐導波路（２１，２２）に接続される第１及び第２の変調部（Ｍ１，Ｍ２）であり、各変調部が一つ以上のマッハツェンダー型光導波路（Ｍ１，Ｍ２，ｍ１〜ｍ４）を組み合わせた構造を備え、該制御電極は、第１及び第２の変調部に変調信号を印加する信号電極（ｓ１〜ｓ４）を有し、全ての信号電極の入力部は、該光波が伝搬する方向（図２の右から左に向かう方向）に対して該基板１の左右いずれか一方の側（図２では基板１の上下いずれかの側）に配置され、該信号電極の出力部については、前記光波の伝搬方向に対し、前記第１又は第２の変調部が配置される側に、各変調部から導出される信号電極の出力部も配置されていることを特徴とする。

本発明の光変調器に使用される基板１としては、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの電気光学効果を有する基板を用いることが好ましい。また、基板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、基板に光導波路に沿った凹凸を形成したリッジ型光導波路も利用可能である。さらに、図２では、Ｘカット型の基板を用いた光変調器を例示しているが、本発明はこれに限らずＺカット型の基板でも同様に適用することが可能である。また、基板１として半導体材料を用いることも可能である。

制御電極は、第１及び第２の変調部（Ｍ１，Ｍ２）あるいは各変調部を構成する各マッハツェンダー型光導波路（変調領域ｍ１〜ｍ４）に対応して、信号電極（ｓ１〜ｓ４）や不図示の接地電極などから構成される。また、制御電極には、後述するように、直流バイアス電圧を印加するためのＤＣ電極なども含まれる。制御電極は、基板１の表面に、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、該バッファ層の上側に変調電極を形成することも可能である。

基板１の近傍には、中継基板３や終端基板（４０，４１）が配置される。中継基板３は、外部信号源からの変調信号が導入され、中継基板内の信号配線を経て、基板１の信号電極（ｓ１〜ｓ４）に、変調信号を中継する役割を担っている。当然、外部信号源に接続されるコネクタの一端を、基板１の各信号電極（ｓ１〜ｓ４）やこれに対応する接地電極に直接接続し、中継基板３を省略することも可能である。

終端基板（４０，４１）には、変調信号の反射を抑制するための抵抗等を備えた終端回路が基板（４０，４１）上に設けられている。中継基板３と基板１との電気的接続や、基板１と終端基板（４０，４１）との電気的接続は、金線や金リボンなど導電率の高い導電線や導電性リボンなどが利用可能である。終端基板は、基板１の側面に配置することに限定されず、基板１の上や下側に配置しても良い。さらに、変調部に影響が出ない範囲であれば、終端基板を削除し、基板１の上面、側面又は下面のいずれかに抵抗を配置（或いは直接配置）しても良い。

図２の実施例では、光波の伝搬方向（図２の右から左に向かう方向）に対し、各変調部（Ｍ１，Ｍ２）が形成された側に、各変調部で使用した信号電極（ｓ１〜ｓ４）の出力部を配置するため、一点鎖線の枠Ａのように、光導波路を横切る信号電極などの制御電極の数を抑制することができるため、光損失の発生やバラつきを減少させることが可能となる。なお、光変調器に入射した入力光Ｌ１は、各変調部（Ｍ１，Ｍ２またはｍ１〜ｍ４）で変調され、出力光（Ｌ２,Ｌ３）として出射される。出力光（Ｌ２，Ｌ３）は、必要に応じて、不図示の偏波合成光学系などで合波される。

また、本発明の光変調器では、図２に示すように、異なる信号電極（ｓ１〜ｓ４）に対して、変調部（Ｍ１，Ｍ２またはｍ１〜ｍ４）における作用領域（変調信号が形成する電界が光導波路に印加される範囲）の開始部（一点鎖線Ｂ）から該出力部（一点鎖線Ｃ又はＤ）までの配線の長さが等しくなるよう設定している。このような等長配線を採用することで、終端回路で変調信号が反射する際の電気反射の周波数特性を揃えることができ、より安定した変調特性を得ることができる。

また、外部信号源から入力される変調信号が、外部信号源から基板１の各作用領域の開始部に至るまでの時間を、各変調信号間で同じにすることが望ましい。これにより、変調を開始するタイミングを容易に揃えることができ、外部信号源に変調信号の位相を調整する機能を省略することが可能になる。また、作用領域の開始部に至った変調信号の強度を各変調信号間で同じにすることも可能になる。このためには、基板１において、各信号電極間で、入力部から作用領域の開始部までの配線の長さを揃えるのが好ましい。仮に、前記配線が揃っていない場合は、中継基板上の配線、光変調器が配置される電気回路基板上の配線、又は光変調器と電気回路基板とを繋ぐフレキシブル回路基板（ＦＰＣ）などの配線の長さを調整することで、変調の開始タイミングを揃えることも可能である。

図２に示すように、信号電極（ｓ１〜ｓ４）の各出力部の近傍には、該出力部に接続される終端回路を備えた終端基板（４０，４１）が配置されている。

本発明に係る光変調器の第２の実施例を図３に示す。図３では、変調部（Ｍ１，Ｍ２または変調領域ｍ１〜ｍ４）又は変調部の後段の光導波路に直流バイアス電圧を印加するためのＤＣ配線（ｄ１、ｄ２）を備え、該ＤＣ配線の少なくとも一部は、該終端基板（４１）の一部に形成されている。

このように、終端回路とＤＣ配線とを同一基板上に配置することで、部品点数を減少させ、組立作業の簡素化やコスト低減にも寄与する。

さらに、終端基板（４１）に配置されているＤＣ配線には、１００Ω〜１０ｋΩの抵抗が構成されている。これにより、終端回路とＤＣ配線との間のクロストーク、外部ノイズや静電気を改善することが可能となる。

本発明に係る光変調器の第３の実施例を図４に示す。図４では、変調部（Ｍ１、Ｍ２またはｍ１〜ｍ４）から導出される光波（出力信号光又は合波部からの放射光）の一部をモニタする受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）を備え、該受光素子への配線の一部が、該終端基板の一部に形成されている。図４では、受光素子と終端基板（４１）とを電気的接続する手段として、金線（ｗ１，ｗ２）を示しているが、必要に応じて、基板１上に、受光素子の出力信号を導出するための信号配線を設けることも可能である。

図４の終端基板４１には、受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）からの出力信号を外部に導出するための信号配線（不図示）が形成されている。終端基板４１内における終端回路と受光素子の配線との間でクロストークを改善するため、終端基板４１の表面であって、終端回路と受光素子の配線との間には、溝４２が形成又は導体が配置することが好ましい。このような溝又は導体は、図３の終端基板４１の終端回路とＤＣ配線との間に設けることも可能である。

以上、説明したように、本発明によれば、各変調部や各変調領域に対応した光損失のバラつきを可能な限り抑制した光変調器を提供することができる。

１基板
２光導波路
２０第１分岐部（光導波路）
２１，２２分岐導波路
３中継基板
４，４０，４１終端基板
４２溝又は導体
Ｍ１，Ｍ２主マッハツェンダー型光導波路
ｍ１〜ｍ４副マッハツェンダー型光導波路
ｓ１〜ｓ４信号電極（信号配線）
ｄ１，ｄ２ＤＣ配線
ＰＤ１，ＰＤ２受光素子
ｗ１，ｗ２金線
Ｌ１入力光
Ｌ２，Ｌ３出力光

Claims

基板に光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器において、
該光導波路が、一つの入力光を二つに分岐する第１分岐部を備え、該第１分岐部で分岐した二つの分岐導波路に接続される第１及び第２の変調部であり、各変調部が一つ以上のマッハツェンダー型光導波路を組み合わせた構造を備え、
該制御電極は、第１及び第２の変調部に変調信号を印加する信号電極を有し、
全ての信号電極の入力部は、該光波が伝搬する方向に対して該基板の左右いずれか一方の側のみに配置され、
該信号電極の出力部については、前記光波の伝搬方向に対し、前記第１又は第２の変調部が配置される側に、各変調部から導出される信号電極の出力部も配置され、
各出力部の近傍には、該出力部に接続される終端回路を備えた終端基板が配置され、
前記第１及び第２の変調部又は当該変調部の後段の光導波路にバイアス電圧を印加するため、該信号電極とは電気的に接続していないＤＣ配線を備え、かつ、該ＤＣ配線の該基板への入力部は、該信号電極の入力部と同じ、該基板の一方の側に配置され、
該ＤＣ配線の少なくとも一部は、該終端基板の一部に形成されていることを特徴とする光変調器。
基板に光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた光変調器において、
該光導波路が、一つの入力光を二つに分岐する第１分岐部を備え、該第１分岐部で分岐した二つの分岐導波路に接続される第１及び第２の変調部であり、各変調部が一つ以上のマッハツェンダー型光導波路を組み合わせた構造を備え、
該制御電極は、第１及び第２の変調部に変調信号を印加する信号電極を有し、
全ての信号電極の入力部は、該光波が伝搬する方向に対して該基板の左右いずれか一方の側のみに配置され、
該信号電極の出力部については、前記光波の伝搬方向に対し、前記第１又は第２の変調部が配置される側に、各変調部から導出される信号電極の出力部も配置され、
各出力部の近傍には、該出力部に接続される終端回路を備えた終端基板が配置され、
前記第１及び第２の変調部から導出される光波の一部をモニタすると共に該基板上に配置される受光素子と、該受光素子からの出力信号を導出するモニタ用配線とを備え、かつ、該モニタ用配線の該基板からの出力部は、該信号電極の入力部と同じ、該基板の一方の側に配置され、
該モニタ用配線の少なくとも一部は、該終端基板の一部に形成されてい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、異なる信号電極に対して、該変調部における作用領域の開始部から該出力部までの配線の長さが等しくなるよう設定されていることを特徴とする光変調器。
請求項１又は３に記載の光変調器において、該終端基板に配置されている該ＤＣ配線には、１００Ω〜１０ｋΩの抵抗が設けられてい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、異なる信号電極に対して、該変調部における作用領域の開始部から該出力部までの配線の長さが等しくなるよう設定されていることを特徴とする光変調器。
請求項２又は５に記載の光変調器において、該終端基板の表面上に配置される該終端回路と該モニタ用配線との間に、溝が形成又は導体が配置されていることを特徴とする光変調器。