JP2017181633A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上の電気線の配線取り回しを容易にすることが可能な光変調器を提供する。【解決手段】光変調器は、第１の波長λ１の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第１の基板１Ａと、第２の波長λ２の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第２の基板１Ｂとを有する。さらに、光変調器は、第１の基板１Ａ及び第２の基板１Ｂが、並列に配置されると共に、基板の長さ方向にずらして配置される。【選択図】図２

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、高密度化と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、光導波路と変調電極とを基板に形成した光変調器において、互いに分離した複数の変調用基板部分を備え、各変調用基板部分は、互いの境界の一部に、変調用基板部分の基板材料より誘電率の低い低誘電率部分を配置した光変調器が開示されている。

特開２０１４−１９７０５４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導波路変調部Ｍ１と、波長λ１とは異なる波長λ２の光波が入力される光導波路変調部Ｍ２とを有し、これら光導波路変調部Ｍ１，Ｍ２は互いに独立して動作するように構成される。

光導波路変調部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、高周波信号（変調信号）が印加されるＲＦ電極３ａや、ＤＣ電圧（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。

各光導波路変調部Ｍ１，Ｍ２の光導波路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、光導波路変調部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。
光導波路変調部Ｍ１の下流には偏波合成部５が配置されており、メインとなるマッハツェンダー型導波路の出力側アーム部を伝搬する光波を偏波合成部５で合成して、光ファイバ６に出力する。光導波路変調部Ｍ２についても同様である。偏波合成部５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。

上記のように、高集積型光変調器には、多数の制御電極や受光素子を配置した基板（チップ）が用いられる。このため、それらの部品に接続する電気線（不図示）の配線（取り回し）が増大し、基板サイズが大型化してしまうという問題があった。
また、基板の側部に設けた電気パッドから作用部（制御電極から発生される電界が光導波路に作用する部位）までの配線が、一部のエリアに集中し、配置が困難になるという問題もあった。この問題は、特に、高周波信号を伝送する高周波線路で顕著であった。高周波線路はインピーダンスを管理したＣＰＷ（コプレーナ導波路）などの線路構造が用いられるが、このような線路構造はパターン設計の自由度が低く、近接した線路間では高周波信号のクロストークが発生するためである。

また、異なる波長の光波を伝送する光導波路変調部間で、不要光の干渉が起こる懸念もある。不要光としては、ファイバとチップ間の非結合光、光導波路の合波部からの放射モード光（Ｏｆｆ光）、光導波路の曲げや分岐部からの漏れ光などがある。
また、例えば２波長集積型では、１チップ上にある光導波路や制御電極の電極パターン長が１波長型に比べて倍以上に増えるため、パターンの歩留りが１波長型のパターンの２乗以下となってしまう。

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、基板上の電気線の配線取り回しを容易にすることが可能な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） 第１の波長の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第１の基板と、第２の波長の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第２の基板とを有し、前記第１及び第２の基板は、並列に配置されると共に、基板の長さ方向にずらして配置されることを特徴とする光変調器である。

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、前記第１及び前記第２の基板には、ＤＣ電極とＲＦ電極とがそれぞれ形成され、前記第１及び前記第２の基板で、基板の長さ方向における前記ＤＣ電極と前記ＲＦ電極との配置順が異なることを特徴とする光変調器である。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、前記第１及び第２の基板は、基板の厚さ方向にずらして配置されることを特徴とする光変調器である。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、前記第１及び第２の基板は、基板端部のエッジが除去されていることを特徴とする光変調器である。

本発明の光変調器は、第１の波長の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第１の基板と、第２の波長の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第２の基板とを有し、前記第１及び第２の基板は、並列に配置されると共に、基板の長さ方向にずらして配置されるため、基板上の電気線の配線取り回しを容易にすることが可能な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２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３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４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５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５実施例に係る光変調器を説明する側面断面図である。 本発明の第５実施例に係る光変調器の変形例を説明する側面断面図である。 本発明の第６実施例に係る光変調器を説明する側面図である。

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、第１の波長λ１の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第１の基板１Ａと、第２の波長λ２の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第２の基板１Ｂとを有する。また、第１の基板１Ａ及び第２の基板１Ｂは、並列に配置されると共に、基板の長さ方向にずらして配置される。

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電圧を印加する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。

本発明に係る光変調器の主な特徴は、基板１Ａ，１Ｂは、互いに並列に配置されると共に、基板の長さ方向にずらして配置されることである。以下、実施例を参照して詳細に説明する。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。

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る。
本例の光変調器は、基板１Ａ，１Ｂを互いに並列に配置すると共に、基板１Ｂを基板１ＡよりもＸ方向下流側にずらして配置してある。
基板１Ａの基板１Ｂに対向する辺側の側部には、基板１ＡのＲＦ電極３ａに対する高周波信号を終端する終端基板１１が設けられている。また、基板１Ｂの基板１Ａに対向する辺側の側部には、基板１ＢのＲＦ電極３ａに対する高周波信号を終端する終端基板１２が設けられている。更に、基板１Ｂの基板１Ａに対向する辺側の側部には、中継基板１３とＤＣ配線基板１６も設けられている。

中継基板１３には、ＲＦコネクタ２１から入力される高周波信号を中継する電気線４１が配線されている。電気線４１は、基板１Ｂの側部に設けられた接続パッド３１に、ワイヤーボンディング等により電気的に接続される。基板１Ａに対する高周波信号は、基板１Ｂ上の電気線４２を通じて基板１Ａに中継され、基板１ＡのＲＦ電極３ａに印加される。基板１Ｂに対する高周波信号は、基板１Ｂ上の電気線４３を通じて基板１ＢのＲＦ電極３ａに印加される。接続パッド３１は５００μｍ程度の間隔で配置できる。一方、ＲＦコネクタ２１は接続パッド３１よりも大きく、小型のものでも２．５ｍｍ以上の間隔が必要となる。中継基板１３は、ＲＦコネクタ２１に接続された電気線４１を接続パッド３１に向かって間隔が狭まるように調整する役割を持つ。

ＤＣ配線基板１６には、ＤＣピン２２から入力されるＤＣ電圧を中継する電気線４４が配線されている。電気線４４は、基板１Ｂの側部に設けられた接続パッド３２に、ワイヤーボンディング等により電気的に接続される。基板１Ａに対するＤＣ電圧は、基板１Ｂ上の電気線４５を通じて基板１Ａに中継され、基板１ＡのＤＣ電極３ｂ、３ｃに印加される。基板１Ｂに対するＤＣ電圧は、基板１Ｂ上の電気線（不図示）を通じて基板１ＡのＤＣ電極３ｂ、３ｃに印加される。すなわち、ＤＣ電極３ｃの取り出し部を基板１Ａと基板１Ｂとで共有している。なお、本例では、基板１Ａに対する電気線４５をボンディング配線により基板１Ｂを跨ぐように形成しているが、基板１Ｂ上に直接配線してもよい。また、ＤＣピン２２と接続パッド３２とを直接接続して、ＤＣ配線基板１６を用いない構造にすることもできる。

このように、基板１Ａ，１Ｂを互いに並列に配置すると共に、基板１Ｂを基板１ＡよりもＸ方向下流側にずらして配置することで、基板上の電気線の配線取り回しを容易にすることができる。特に、基板１ＡのＲＦ電極３ａに対する電気線４２を短縮できる効果がある。すなわち、例えば基板１Ａ，１ＢをＸ方向にずらさずに配置する場合は、基板１ＢのＲＦ電極３ａに対する電気線４３を迂回するように電気線４２を配線する必要があるが、基板１Ａ，１ＢをＸ方向にずらして配置することで、そのような迂回の必要がない。高周波信号を伝送する電気線４２，４３は、ＣＰＷなどのインピーダンスコントロールされた高周波線路である必要があり、線路構造が制限されており、配線長を短くすることは、高周波信号の損失低減に非常に有効である。また、２波長分の素子を１チップに集積した場合に比べ、１チップに搭載される導波路や電極の微細パターンが少なくなるため、パターンの欠陥等による歩留り劣化を軽減できる。更に、素子の長さを２波長分を集積した場合に比べて短くできるため、１ウエハでのパターン搭載数を多くすることができる。

図３は、本発明の第２実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
本例の光変調器は、基板１Ａ，１Ｂを互いに並列に配置すると共に、基板１Ｂを基板１ＡよりもＸ方向下流側にずらして配置してある。
基板１Ａには、Ｘ方向の上流から下流に向かって、ＲＦ電極３ａ、ＤＣ電極３ｂ、ＤＣ電極３ｃの順に配置されている。一方、基板１Ｂには、Ｘ方向の上流から下流に向かって、ＤＣ電極３ｃ、ＲＦ電極３ａ、ＤＣ電極３ｂの順に配置されている。すなわち、基板１Ａと基板１ＢでＸ方向におけるＤＣ電極とＲＦ電極との配置順が異なっている。

このように、基板１ＢのＤＣ電極３ｃをＲＦ電極３ａの上流に配置することで、基板１Ｂには、ＤＣ電極３ｃの上流部分に電気線４４を配線し、基板１ＢのＤＣ電極３ｃの下流部分に電気線４３を配線することができる。これにより、基板１Ａ，１Ｂのずらし幅を少なくしても、基板１ＡのＲＦ電極３ａと基板１ＢのＲＦ電極３ｂのずらし幅を十分に確保できる。すなわち、基板１Ａ，１Ｂのずらし幅を少なくしても、高周波信号の損失低減に有効な配線取り回しを容易に行うことができる。したがって、基板１ＡのＸ方向上流側の端辺から基板１ＢのＸ方向下流側の端辺までの長さＬを、ＤＣ電極とＲＦ電極との配置順を一致させる構造（例えば実施例１の構造（図２））よりも短縮できる。すなわち、基板１Ａと基板１ＢでＸ方向におけるＤＣ電極とＲＦ電極との配置順を異ならせることで、基板の長さ方向のトータル長をより短縮できる効果が得られる。

図４は、本発明の第３実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
本例の光変調器は、基板１Ａ，１Ｂを互いに並列に配置すると共に、基板１Ｂを基板１ＡよりもＸ方向下流側にずらして配置してある。また、基板１Ａと基板１Ｂを離間させ、基板１Ａと基板１Ｂの間に中継基板１４とＤＣ配線基板１６を配置してある。基板１Ａに対する高周波信号は、ＲＦコネクタ２１から入力され、中継基板１３、基板１Ｂ、中継基板１４を通じて基板１Ａに中継され、基板１ＡのＲＦ電極３ａに印加される。

このように、基板１Ａと基板１Ｂを離間させる構造にすることで、光学系（例えば、空間光学系を用いた偏波合成部６）を配置し易くなる効果が得られる。

図５は、本発明の第４実施例に係る光変調器を説明する平面図である。
本例の光変調器は、基板１Ａ，１Ｂを互いに並列に配置すると共に、基板１Ｂを基板１ＡよりもＸ方向下流側にずらして配置してある。また、基板１Ａと基板１ＢでＸ方向におけるＤＣ電極とＲＦ電極との配置順を異ならせている。また、基板１Ａと基板１Ｂを離間させ、基板１Ａと基板１Ｂの間に中継基板１４とＤＣ配線基板１６を配置してある。

すなわち、第４実施例は、第２実施例と第３実施例を組み合わせた構造になっている。このため、基板上の電気線の配線取り回しを容易にできるだけでなく、基板の長さ方向のトータル長を短くする効果や、光学系を配置し易くなる効果を得ることができる。

図６は、本発明の第５実施例に係る光変調器を説明する平面図であり、図７は、その側面断面図である。
本例の光変調器は、基板１Ａ，１Ｂを互いに並列に配置すると共に、基板１Ｂを基板１ＡよりもＸ方向下流側にずらして配置してある。また、基板１Ａと基板１Ｂを離間させ、基板１Ａと基板１Ｂの間にＤＣ配線基板１６を配置してある。また、基板１Ａと基板１Ｂを、基板の厚さ方向の位置をずらして配置してある。具体的には、基板１Ｂよりも上方側に基板１Ａを配置してある。更に、基板１Ａに対する高周波信号を入力するＲＦコネクタ２１が接続された中継基板１５が、基板１Ｂの一部に重なるように配置してある。

このような構造によれば、光学系を配置し易くなる効果が得られるだけでなく、基板１Ａに対する高周波信号を中継する電気線を基板１Ｂから除去することができ、基板１Ｂの電気線の配線をより簡素化することができる。また、中継基板１５を低損失な基板材料を使用したものとし、更に高周波線路を伝存損失の低い線路構造とすることで、基板１Ｂに配線した場合よりも高周波特性に優れた光変調器を実現することができる。

図８は、本発明の第５実施例に係る光変調器の変形例を説明する側面断面図である。
本例の光変調器は、高周波信号を入力する端子として、リードピン２３を用いている。つまり、光変調器の筐体側面に横方向（水平方向）に設けたＲＦコネクタ２１を通じて筐体側部から高周波信号を入力するのではなく、光変調器の筐体側面に縦方向（垂直方向）に設けたリードピン２３を通じて筐体底部から高周波信号を入力する構造となっている。このような構造とすることで、高周波信号の入力を一列に配置することができる。

図９は、本発明の第６実施例に係る光変調器を説明する側面図である。
本例の光変調器では、基板１Ａ（１Ｂ）は、基板端部のエッジ８を除去した構造となっている。
これにより、基板端部のエッジで他の部品が傷つけられることを防止できる。このようなエッジの除去は、上記の各実施例に組み合わせて適用可能である。

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。

以上、説明したように、本発明によれば、基板上の電気線の配線取り回しを容易にすることが可能な光変調器を提供することができる。

１，１Ａ，１Ａ 基板
２ 光導波路
３ 制御電極
３ａ ＲＦ電極
３ｂ，３ｃ ＤＣ電極
４ 受光素子
５ 偏波合成部
６ 光ファイバ
８ エッジ
１１，１２ 終端基板
１３〜１５ 中継基板
１６ ＤＣ配線基板
２１ ＲＦコネクタ
２２ ＤＣピン
２３ リードピン
３１，３２ 接続パッド
４１〜４５ 電気線

Claims (4)

1. 第１の波長の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第１の基板と、
   第２の波長の光を変調する位相偏波変調又は直交振幅変調のための光変調領域が形成された第２の基板とを有し、
   前記第１及び第２の基板は、並列に配置されると共に、基板の長さ方向にずらして配置されることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、
   前記第１及び前記第２の基板には、ＤＣ電極とＲＦ電極とがそれぞれ形成され、
   前記第１及び前記第２の基板で、基板の長さ方向における前記ＤＣ電極と前記ＲＦ電極との配置順が異なることを特徴とする光変調器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光変調器において、
   前記第１及び第２の基板は、基板の厚さ方向にずらして配置されることを特徴とする光変調器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光変調器において、
   前記第１及び第２の基板は、基板端部のエッジが除去されていることを特徴とする光変調器。

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