説明

光変調器モジュール

【課題】大きな高周波電気信号が入力されても熱破壊されることのない高い信頼性を有する光変調器モジュールを提供する。
【解決手段】基板と、光を導波するための光導波路と、基板の一方の面側に形成され、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からなる光変調器と、光変調器の電極に接続され、当該電極を通過した高周波電気信号を終端する電気的終端と、光変調器と電気的終端とを内部に配置する筐体と、を有する光変調器モジュールにおいて、電気的終端は、高周波電気信号が入力される電気的終端用中心導体と、電気的終端用中心導体と並んで形成された電気的終端用接地導体と、電気的終端用中心導体と電気的終端用接地導体とを接続し、入力される高周波電気信号を吸収してジュール熱に変換する抵抗膜とを備え、抵抗膜の幅は電気的終端用接地導体に向かって少なくとも一部が徐々に狭まって形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムナイオベート(LiNbO)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。
【0003】
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。
【0004】
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、電気的終端をパッケージ(あるいは筐体)の中に実装したモジュールの形態であるので、ここでは光変調器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。
【0005】
光変調器モジュールの例として、特許文献1に開示されているz−カットLN光変調器モジュール100をとり上げ、その模式的な上面図を図6に示す。LN光変調器50が矩形状の筺体であるパッケージ7の内部に配置されている。1はz−カットLN基板である(実際にはこの上にSiO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。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。なお、DQPSK型のLN光変調器モジュールでは複数のマッハツェンダ光導波路をネスト状に用いる。
【0006】
パッケージ7の中にはLN光変調器50の他に電気的終端8も内蔵されている。ここで、9はパッケージ7に設けたバイアス用端子、10は抵抗値Rのバイアス抵抗、11と12は高周波用コンデンサ、13は抵抗値Rの終端抵抗、14はキャパシタンスC14の低周波用コンデンサである。図7に図6に示したz−カットLN光変調器モジュールの等価回路図を示す。15はバイアス電圧Vを出力するバイアス電源であり、通常オペアンプにより構成されている。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の上に搭載されている。
【0007】
16はz−カットLN光変調器のチップのCPW進行波電極を分布定数表現したものであり、17はインダクタンス、18は電極材料のAuに起因する抵抗、19はキャパシタンス、20はコンダクタンスに対応している。
【0008】
次に、このように構成されるLN光変調器モジュールの動作について説明する。このLN光変調器モジュールを動作させるには、ドライバー4から中心導体3aと接地導体3b、3c間に高周波電気信号を印加するとともに、電気的端点Aからバイアス電圧を印加する。
【0009】
図8にLN光変調器モジュールの電圧−光出力特性を示す。ここで、Vはその際のバイアス電圧(ここでは、DCバイアス電圧)である。この図8に示すように、通常、バイアス電圧Vは光出力特性の山と底の中点に設定される。バイアスVを適正に印加することはLN光変調器モジュールの特性を有効に引き出すために極めて重要である。
【0010】
ここで、この従来技術の問題点について考察する。図6に示した従来技術の電気的終端8のコンデンサ以外の部分に対応する抵抗部Iについてその拡大図を図9に示す。ここで、21は電気的終端用基板、22は電気的終端用中心導体、23は電気的終端用接地導体である。25は電気的終端用中心導体22に伝搬した高周波電気信号である。
【0011】
この高周波電気信号25の多くは、電気的終端用中心導体22と電気的終端用接地導体23との間に接続して設けられた一定幅W、長さLでなる抵抗膜24a、24bに伝搬し、そこでジュール熱に変換される。図9では抵抗膜24a、24bに伝搬した高周波電気信号を26a、26bとして示している。
【0012】
図10には抵抗膜24aを伝搬する高周波電気信号26aの伝搬距離zを変数とした場合に抵抗膜24aにおいて生じるジュール熱量の総量を示す。図10からわかるように、ジュール熱量はzが小さい場合には大きく、zが大きくなるにつれて急速に減少する。
【0013】
図11には抵抗膜24aを伝搬する高周波電気信号26aの伝搬距離zを変数とした場合に抵抗膜24aの単位面積当たりに生じるジュール熱量を示す。なお、図11には抵抗膜24aの熱による破壊限界も点線により示している。
図11からわかるように、図9に示した従来技術では高周波電気信号26aの伝搬距離zが小さい領域において抵抗膜24aを構成するNiCrなどの材料が熱により破壊されてしまう。
【0014】
なお、以上においては図9における図の左半分についてのみ議論したが、右半分(抵抗膜24b)についても同じことが成り立つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】特開2003−295139号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
以上のように、従来技術では抵抗膜に伝搬した高周波電気信号がジュール熱に変換される場合に、抵抗膜が熱破壊されてしまうという問題があった。
【0017】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、熱破壊に強い抵抗膜を具備する光変調器モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の光変調器モジュールは、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からなる光変調器と、前記光変調器の前記電極に接続され、当該電極を通過した高周波電気信号を終端する電気的終端と、前記光変調器と前記電気的終端とを内部に配置する筐体と、を有する光変調器モジュールにおいて、前記電気的終端は、前記高周波電気信号が入力される電気的終端用中心導体と、前記電気的終端用中心導体と所定間隔を有した位置で前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号の伝搬方向に並んで形成された電気的終端用接地導体と、前記電気的終端用中心導体と前記電気的終端用接地導体とを接続し、接続された前記電気的終端用中心導体から入力される前記高周波電気信号を吸収してジュール熱に変換する抵抗膜とを備え、前記抵抗膜の幅は、前記電気的終端用中心導体に接している位置において所定幅を有するとともに、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かう途中位置において当該所定幅よりも狭い幅を有してなり、当該抵抗膜の幅は前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かって少なくとも一部が徐々に狭まって形成されていることを特徴としている。
【0019】
上記課題を解決するために、本発明の請求項2に記載の光変調器モジュールは、請求項1に記載の光変調器モジュールにおいて、前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって連続的に狭まることを特徴としている。
【0020】
上記課題を解決するために、本発明の請求項3に記載の光変調器モジュールは、請求項1に記載の光変調器モジュールにおいて、前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって不連続的に狭まることを特徴としている。
【0021】
上記課題を解決するために、本発明の請求項4に記載の光変調器モジュールは、請求項1または2に記載の光変調器モジュールにおいて、前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって非線形形状で狭まることを特徴としている。
【0022】
上記課題を解決するために、本発明の請求項5に記載の光変調器モジュールは、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光変調器モジュールにおいて、前記抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向と交わる向きにおける両側に形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、高周波電気信号の伝搬する初期の領域では、電気的終端用中心導体に接する抵抗膜の幅を広くしているので、抵抗膜の単位面積当たりに発生するジュール熱を抵抗膜の破壊限界より小さくすることができ、高信頼な光変調器モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る光変調器モジュールの電気的終端の一部を示す図
【図2】本発明の効果を説明する図
【図3】本発明に係る光変調器モジュールの第2の実施形態を示す図
【図4】本発明に係る光変調器モジュールの第3の実施形態を示す図
【図5】本発明に係る光変調器モジュールの第4の実施形態を示す図
【図6】従来技術に係る光変調器モジュールの模式的な上面図
【図7】従来技術に係る光変調器モジュールの等価回路図
【図8】従来技術に係る光変調器モジュールの動作を説明する図
【図9】従来技術に係る光変調器モジュールの電気的終端の一部を示す図
【図10】従来技術の問題点を説明する図
【図11】従来技術の問題点を説明する図
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図6〜図11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。
【0026】
[第1の実施形態]
図1に、本発明の第1の実施形態のLN光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、その模式的な上面図を示す。本発明における第1の実施形態において特徴的な構成は、抵抗膜27aについて高周波電気信号26aの伝搬距離zが延びるとともに(換言すれば、抵抗膜27aが電気的終端用中心導体22から電気的終端用接地導体23へ向かうとともに)抵抗膜27aの幅をWからWへと直線的に連続的に狭めていることである。なお、抵抗膜27aについての議論は抵抗膜27bについても同様と言うことができるので、説明を簡単にするために、ここでは図1における左半分(抵抗膜27a)についてのみで議論する。
【0027】
図2には抵抗膜27aを伝搬する高周波電気信号26aの伝搬距離zを変数とした場合における、抵抗膜24aの単位面積当たりに生じるジュール熱量を示す。なお、図2には図11に示した従来のジュール熱量と抵抗膜の破壊限界も破線で図示している。
【0028】
図2からわかるように、図1に示した抵抗膜27aはzが小さい領域(電気的終端用中心導体に接する位置およびその近傍の領域)において従来よりも幅を広く構成しているので、単位面積当たりに生じるジュール熱量について抵抗膜27aを構成する材料の熱破壊限界以下に抑えることができる。
【0029】
さらに、抵抗膜27a、27bに求められる抵抗値は幅の変化を考慮して決定することができるので、zが大きい領域における幅を狭くすることで所望の抵抗値を実現できる。詳しく説明すれば、zが小さい領域では抵抗膜27a、27bの幅は広いので抵抗値は低い値を持つがzが大きくなると抵抗膜27a、27bの幅は狭くなるので抵抗値は高くなる。従って全体として所望(一般に35〜50Ω程度)の抵抗値を実現することが可能となる。
【0030】
なお、抵抗膜27a、27bの材料は、例えばニクロムや窒化タンタルなどをあげることができるが、その他の材料でも良いことは言うまでもない。
【0031】
以上は図1における左半分(抵抗膜27a)についてのみで議論してきたが、もちろん右半分(抵抗膜27b)に関しても同様と言うことができ、さらに左右が完全にミラー対称でなくても本発明に属すると言うことができる。図1では抵抗膜27a、27bの幅は直線的に変えた構造を示しているが、曲線的に変えても良いし、不連続に変えても良いことは言うまでもない。以上のことは本発明の全ての実施形態について言うことができる。
【0032】
[第2の実施形態]
図3に、本発明の実施形態のLN光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、第2の実施形態を示す。
【0033】
この第2の実施形態においては、抵抗膜28a、28bの幅を電気的終端用中心導体22から電気的終端用接地導体23に向かって不連続に(階段状に)狭めている。このように構成しても高周波電気信号の伝搬距離zが小さい領域では抵抗膜28a、28bの幅がWと広く、zがある程度の大きさになったらWと小さく構成しているので、本発明としての効果を奏することができる。なお、図3では不連続の段数は1段であるが、これより多い段数でも良いことは言うまでもない。
【0034】
[第3の実施形態]
図4に、本発明の実施形態のLN光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、第3の実施形態を示す。
【0035】
この第3の実施形態においては、抵抗膜29a、29bの幅を非線形の形状で狭めている。ここでは、抵抗膜29a、29bの幅をWからWへと変化させている。
【0036】
実際には、抵抗膜29a、29bで発生するジュール熱量はexp(−z)の関数形に従ってzが小さい場合には大きく、zが大きくなるにつれて急速に減少するので、図4の構成のように抵抗膜29a、29bの幅を非線形に変化させる方が好適であってしかもWを広くできるので、ジュール熱による破壊に対してより強くなると言うことができる。
【0037】
[第4の実施形態]
図5に、本発明の実施形態のLN光変調器モジュールにおける電気的終端の抵抗部について、第4の実施形態を示す。
【0038】
図4の第3の実施形態では、抵抗膜29a、29bの幅を直線よりも急激に狭くする非線形形状としたが、図5に示すように、逆に直線よりも緩やかに狭くした非線形の形状としても良い。
【0039】
本実施形態は、図4に示した第3の実施形態に比較して熱破壊限界以下に抑える効果は小さいものの、抵抗膜の幅が高周波電気信号の伝搬とともに幅が狭くなっていれば本発明としての効果を奏することができる。
【0040】
[各種実施形態]
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。そしてDQPSK型の光変調器などマッハツェンダ型光導波路をネスト状に組み合わせた構造や、シングル電極、あるいはDual電極などについても本発明は勿論有効である。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。
【0041】
抵抗膜は電気的終端の中心導体の両側にある、いわゆるCPW型の終端抵抗を用いて説明してきたが、第1〜第4の実施形態で示したような電気的終端用中心導体をセンターとした左右の抵抗膜が完全にミラー対称の構成でなくてもよい。また、抵抗膜が電気的終端の中心導体の片側のみにある非対称コプレーナストリップ(ACPS)型、マイクロストリップ型でも良い。さらには、1つの抵抗膜の左右(例えば図1の抵抗膜27aにおける高周波電気信号26aをセンターとした場合の左右)の構成を組み合わせるようにしてもよい。例えば、右側を図1のような直線状、左側を図4の非線形状などとしてもよい。つまるところ、抵抗膜の単位面積当たりに発生するジュール熱が抵抗膜の破壊限界より小さくなるように、抵抗膜の幅が高周波電気信号の伝搬方向に向かって徐々に狭くなって構成されていれば、本発明の思想に属することになる。
【0042】
さらに、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。
【産業上の利用可能性】
【0043】
以上のように、本発明に係る光変調器モジュールは、安価で、歩留まりが良い光変調器モジュールとして有用である。
【符号の説明】
【0044】
1:z−カットLN基板(基板、LN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(筐体)
8:電気的終端
9:バイアス用端子
10:バイアス抵抗
11、12:高周波用コンデンサ
13:終端抵抗
14:低周波用コンデンサ
15:バイアス電源
16:CPW進行波電極の分布定数表現
17:インダクタンス
18:抵抗
19:キャパシタンス
20:コンダクタンス
21:電気的終端用基板
22:電気的終端用中心導体
23:電気的終端用接地導体
24a、24b、27a、27b、28a、28b、29a、29b、30a、30b:抵抗膜
25、26a、26b:高周波電気信号
50:LN光変調器
100:LN光変調器モジュール



【特許請求の範囲】
【請求項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からなる光変調器と、
前記光変調器の前記電極に接続され、当該電極を通過した高周波電気信号を終端する電気的終端と、
前記光変調器と前記電気的終端とを内部に配置する筐体と、を有する光変調器モジュールにおいて、
前記電気的終端は、
前記高周波電気信号が入力される電気的終端用中心導体と、
前記電気的終端用中心導体と所定間隔を有した位置で前記電気的終端用中心導体を伝搬する前記高周波電気信号の伝搬方向に並んで形成された電気的終端用接地導体と、
前記電気的終端用中心導体と前記電気的終端用接地導体とを接続し、接続された前記電気的終端用中心導体から入力される前記高周波電気信号を吸収してジュール熱に変換する抵抗膜とを備え、
前記抵抗膜の幅は、前記電気的終端用中心導体に接している位置において所定幅を有するとともに、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かう途中位置において当該所定幅よりも狭い幅を有してなり、当該抵抗膜の幅は前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体に向かって少なくとも一部が徐々に狭まって形成されていることを特徴とする光変調器モジュール。
【請求項2】
前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって連続的に狭まることを特徴とする請求項1に記載の光変調器モジュール。
【請求項3】
前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって不連続的に狭まることを特徴とする請求項1に記載の光変調器モジュール。
【請求項4】
前記抵抗膜の幅が、前記電気的終端用中心導体から前記電気的終端用接地導体へ向かって非線形形状で狭まることを特徴とする請求項1または2に記載の光変調器モジュール。
【請求項5】
前記抵抗膜が、前記電気的終端用中心導体の、前記高周波電気信号の伝搬方向と交わる向きにおける両側に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2013−68917(P2013−68917A)
【公開日】平成25年4月18日(2013.4.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−209366(P2011−209366)
【出願日】平成23年9月26日(2011.9.26)
【出願人】(000000572)アンリツ株式会社 (838)
【Fターム(参考)】