(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波を伝搬する光導波路と、
該光波を変調信号によって変調するための作用量を該光導波路に与える電気導波路と、
該変調信号を、該作用量の周波数特性を近似する信号に変換して該電気導波路に与えるフィルタと、
を有し、該作用量の周波数特性が、該電気導波路における表皮効果に起因する特性であり、該電気導波路が電気光学効果により該光波の光位相変調を行い、該電気導波路と該光導波路との間の電気光学効果が作用する区間長と、該電気導波路に与える電圧値とが相互に決定されることを特徴とした光変調器。
【請求項２】
請求項１において、
該フィルタが、多段直列接続した複数の定抵抗フィルタで構成されていることを特徴とした光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光変調器に関し、特に、電気導波路と光導波路を備えた光変調器に関するものである。
近年、光通信技術は著しい発展を遂げ、基幹情報通信網は高速光通信で行われ、各家庭にも光ファイバが導入されようとしている。これに伴い、大量の情報を高速で伝送するための基本的通信技術の一つである、情報を光波に乗せる光変調器の高速化が、ますます重要になって来ている。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光変調器として、例えば、LiNbO3（リチュウムナイオベート、以後、LNと略称する。）のマッハツェンダ型光変調器は、LN光位相変調器とマッハツェンダ型干渉計を組み合わせた伝送特性の良い光強度変調器であり、2.4GHz、10GHz、40GHz等の高速光伝送の送信器に多く用いられている。
【０００３】
図12は、光位相変調器100'の構成例を示しており、この光変調器100'は、電気導波路20（通常、電極と称する。）と光導波路10とで構成されている。電気導波路20には、変調信号発生部40からの変調信号71がドライバ50を経由して変調信号71aとして入力されている。
【０００４】
電気導波路20は、入力した変調信号71aを作用量（変調量）80に変換して光導波路10に与える。この作用量80は、電気導波路20が、光導波路10を伝搬する光波81に変調を与える作用量である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、電気光学効果による光位相変調の場合、作用量80は、変調電圧V（電界E）とその作用区間Lの積に比例する。
例えば、進行波型光位相変調器には、電気導波路20の金属における表皮効果による抵抗があるため、変調信号の周波数が上がるにつれてｆ1/2の周波数特性を発生して帯域が狭くなる（図5(1)の特性曲線A参照）。従って、進行波型光位相変調器の作用量80には、表皮効果に起因する高周波数領域における減衰が発生する（同図(1)の特性曲線B参照）。
【０００６】
また、集中定数型光位相変調器の作用量80の帯域は、高周波数領域における減衰が発生する。この減衰は、電気導波路（電極）20とドライバ50間のインピーダンス整合のための抵抗R（図示せず）、及び電気導波路20の静電容量C（図示せず）や浮遊容量で決まる周波数特性から決定される。なお、この周波数特性は図示していない。
【０００７】
いずれの光変調器も、減衰が大きくなることにより、符号間干渉が増加して光波形は劣化する。
従って本発明は、電気導波路と光導波路を備えた光変調器において、光導波路に入力される作用量の高周波帯域における減衰を少なくすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の光変調器は、光波を伝搬する光導波路と、該光波を変調信号によって変調するための作用量を該光導波路に与える電気導波路と、該変調信号を、該作用量の周波数特性を近似する信号に変換して該電気導波路に与えるフィルタとを有し、該作用量の周波数特性が、該電気導波路における表皮効果に起因する特性であり、該電気導波路が電気光学効果により該光波の光位相変調を行い、該電気導波路と該光導波路との間の電気光学効果が作用する区間長と、該電気導波路に与える電圧値とが相互に決定されることを特徴としている。
【０００９】
図１は、本発明に係る光変調器100の原理(1)を示している。変調信号発生部40から出力される変調信号71は、光波81を変調するための信号である。電気導波路20は、光変調器に制御方式、例えば、電気光学効果等に基づき変調信号72を変換した作用量80を光導波路10に与える。
【００１０】
この作用量80は、電気導波路20自体の、例えば、集中定数型光位相変調器における浮遊容量や、後述する進行波型光位相変調器における表皮効果等に起因する周波数特性を有している。
従って、変調信号71と同じ変調信号72を、電気導波路20に入力した場合、光導波路10を伝搬する光波81は、周波数特性を有する作用量80により変調された光波82になる。
【００１１】
そこで本発明では、フィルタ30が変調信号71を作用量80の周波数特性（電気導波路自体の周波数特性でない）を等化する変調信号72に変換して電気導波路20に入力する。これにより、作用量80の周波数特性は、低周波領域から高周波領域まで近似されて平坦に近くなり、光変調器100は、変調信号71の周波数に依存しない光変調を行うことが可能になる。
【００１２】
なお、同図は原理図であるため、図12に示したドライバ50は省略されている。
また、本発明では、上記の発明において、該作用量の周波数特性が、該電気導波路における表皮効果に起因する特性である。
すなわち、上述したように、電気導波路20の抵抗は、表皮効果によりf1/2の周波数特性を有する。従って、作用量80は、抵抗の周波数特性に起因する周波数特性を有することになる。この作用量80の周波数特性をフィルタ30は近似する。
【００１３】
図２は、例えば、表皮効果に起因する作用量80の周波数特性を近似する原理を示している。同図(2)は、電気導波路20のモデルを示しており、変調電源40、その内部抵抗42、表皮効果抵抗22を有する電気導波路20、及び終端抵抗44が直列接続されている。抵抗42，44及び電気導波路20のインピーダンスZの値は、R0である。
【００１４】
同図(1)は、電気導波路20の電圧vの分布を示している。電気導波路20が光導波路10に作用量80を与える作用区間の位置は、作用区間の長さLで正規化した長さ（距離）xで示されている。従って、電気導波路20の入力端子では、x＝0、終端端子では、x＝1である。電圧vは、距離xと変調信号の周波数fの関数であるから次式(1)で示される。
【００１５】
【数１】
0003717418.tif 000002
従って、表皮効果がある場合、入力端子の電圧v(f，0)と終端端子の電圧v(f，1)の関係を示す伝達関数（S21パラメータ）は次式(2)で示される。
【００１６】
【数２】
0003717418.tif 000003
ここで、αは定数である。
電圧v(f，x)をv(f，0)＝1で正規化すると式(2)は次式(3)になり、従って、出力電圧v(f，1)は式(4)で示される。
【００１７】
【数３】
0003717418.tif 000004
【００１８】
【数４】
0003717418.tif 000005
この式(4)の周波数特性は、後述する図5(1)の減衰量の曲線Aに相当する。
電気導波路20に分布する電圧v(f，x)は、入力端子からの距離xに対して指数関数で減衰するので次式(5)で示される。
【００１９】
【数５】
0003717418.tif 000006
ここで、βは、周波数fに依存する係数である。
式(5)にx＝1を代入した終端子の電圧v(f，1)は、式(4)に一致するので次式(6)が成り立つ。
【００２０】
【数６】
0003717418.tif 000007
従って、β(f)は、次式(7)で示すことができる。
【００２１】
【数７】
0003717418.tif 000008
式(7)を式(5)に代入すると、電圧v(f，x)は次式(8)で示すことができる。
【００２２】
【数８】
0003717418.tif 000009
この式の曲線が図2(1)に示されている。
ここで、光波81（図１参照）を位相変調する作用量80を変調周波数fの関数q(f)とする。位相変調が電気光学効果で行われるものとすれば、作用量q(f)は、微視的に見れば電圧vと距離xの積になるので次式(9)が成り立つ。
【００２３】
【数９】
0003717418.tif 000010
この式(9)に式(8)を代入して積分値を求めると作用量q(f)は次式(10)で示すことができる。
【００２４】
【数１０】
0003717418.tif 000011
すなわち、フィルタ30は、式(10)の作用量q(f)の周波数特性の逆補償（等化）を行えばよい。
【００２５】
また、本発明では、上記の発明において、該電気導波路が、電気光学効果により該光波の光位相変調を行う。
さらに、本発明では、上記の発明において、該電気導波路と該光導波路と間の電気光学効果が作用する区間長と、該電気導波路に与える電圧値とを相互に決定する。
【００２６】
上述したように、例えば、電気導波路20の表皮効果による抵抗で周波数特性が発生して帯域が狭くなる。この対策として従来の光変調器100は、電気導波路20の長さLを短くして、表皮効果の影響を少なくして帯域を確保していた。
しかし、電気導波路20の長さを短くした場合、光導波路10を通過する光波81の位相変調は、電圧V×導波路長Lに比例するため、必要な電圧Vπ（通常は半波長電圧と呼ぶ）が高くなる。
【００２７】
このため、変調信号の周波数が上がるにつれて光変調器100を駆動するドライバ50（図16参照）は、出力電圧が高く、且つ帯域が広い性能が要求され、非常に作り難くなっていた。
図３は、図2(1)に示した電気導波路20における距離xと電圧v(f，x)に関係を示している。上述したように、該電気導波路20が該光導波路10に与える作用量q(f)は、作用区間(0，1)における作用電圧vの積分で表される。
【００２８】
本発明の光変調器では、表皮効果に起因する作用量q(f)の周波数特性をフィルタで近似している。従って、図３に示すように電気導波路20に加える変調信号72を低い電圧v1（v1＜1）に設定し、作用量q1(f)＝q(f)を満足する作用区間（0，x1）を決定することができる。このときの正規化されたx1は長さ“１”より長くなる。
【００２９】
このように、電気導波路20を駆動する電圧vを低くすることで、電気導波路20のドライバ50の設計が容易になる。
なお、逆に、電気光学効果の作用区間長x2に、例えば、x2＜1という制限がある場合、同図に示すように電気光学効果作用区間長(0，x2)に基づき、作用量q2(f)＝q(f)を満足する電圧v2を決定することも可能である。この場合、正規化された電圧v2は電圧“１”より高くなる。
【００３０】
また、本発明では、上記の発明において、該フィルタを多段直列接続した複数の定抵抗フィルタで構成してもよい。
すなわち、インピーダンスが整合した複数の定抵抗フィルタを直接接続してフィルタを構成することができる。さらに、定抵抗フィルタで構成したフィルタを電気導波路にインピーダンスが整合して直接接続することも可能である。
【００３１】
また、本発明では、上記の発明において、該フィルタを、アンプを介して多段直列接続されたもので構成してもよい。
すなわち、図４に示すように、例えば、フィルタ32#1〜32#3をアンプ31#1，31#2を介して多段直列接続してフィルタ30を構成することができる。なお、アンプ31#3は電気導波路20を駆動するドライバである。
【００３２】
さらに、本発明では、上記の発明において、１又は２つの光変調器でマッハツェンダ型光変調器を構成することが可能である。
すなわち、本発明の光変調器100とマッハツェンダ型干渉計と組み合わせてマッハツェンダ型光変調器を構成することが可能である。光変調器100をマッハツェンダ型干渉計における２つの光路の１つに配置したタイプのマッハツェンダ型光変調器と、両方の光路に配置したタイプのマッハツェンダ型光変調器とが可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光変調器の実施例(1)を図５に示した減衰量と作用量に基づき説明する。本光変調器100の構成は、図１に示した光変調器100と同様であり、12GHz用のLN光変調器100である。その電気導波路20のS21パラメータの周波数特性は、図5(1)において減衰量（破線A）として示されている。
【００３４】
この減衰量は、表皮効果に起因した電気導波路20の減衰量であり、同図(2)の表に周波数(GHz)と減衰量の関係が数値で示されている。この関係は上述した式(4)に従う。
以下に、減衰量の周波数特性から作用量の周波数特性を求める。
【００３５】
同図(1)又は(2)において、通常使用が予定される減衰量Aが−６dBになる周波数は14GHzである。この数値を式(2)に代入すると次式(11)が成立し、αを求めることができる。
【００３６】
【数１１】
0003717418.tif 000012
このαの値を式(10)に代入して作用量q(f)の周波数特性を求める。その計算結果が、同図(2)に示され、そのグラフが同図(1)の作用量（実線B）で示されている。この作用量が、電気導波路20から光導波路10の光波を変調する量である。作用量q(f)の周波数特性を近似するためには、同図(1)の作用量q(f)の周波数特性を等化するフィルタ30（図１参照）を用いればよい。
【００３７】
本発明に係る光変調器の実施例(2)を図６に示した減衰量と作用量に基づき説明する。同図(1)、(2)には、それぞれ、電気導波路20の駆動電圧を下げるためにその作用区間を長くした場合における減衰量の予想周波数特性のグラフ（破線A）又は数値が示されている。同図(1)又は(2)から減衰量が−６dBになる周波数は７GHzであることが分かる。
【００３８】
実施例(1)と同様に、次式(12)からαを求めることができる。
【００３９】
【数１２】
0003717418.tif 000013
実施例(1)と同様に、作用量q(f)の周波数特性の計算結果が、同図(2)の作用量の行に示され、そのグラフが同図(1)の作用量q(f)（実線B）で示されている。
【００４０】
以下に、作用量q(f)を等化するためのフィルタについて説明する。
図7(1)に示された実線Cは、作用量q(f)の周波数特性を等化するために必要なフィルタ30（図１参照）の理想的な等化量の周波数特性を示している。
同図(2)は、抵抗R1，R2及び容量C1で構成された基本フィルタを示している。このフィルタの周波数特性が、同図(3)に示されている。フィルタ30は、この基本フィルタを３段直列接続して構成する。
【００４１】
各基本フィルタの周波数（f1，f2）（図7(3)参照）が、それぞれ、（0.1GHz，0.105GHz）、（0.8GHz，0.88GHz）、（4.5GHz，5.76GHz）である場合、フィルタの周波数特性は、同図(1)のフィルタ特性（破線D）で示される。
この周波数特性は、理想等化量（実線C）にかなり近似しており、フィルタ30は３段の基本フィルタで構成することが可能であること分かる。
【００４２】
基本フィルタからフィルタ30を構成する方式には、(1)図４と同様に基本フィルタを、アンプを介して接続する方式、及び(2)基本フィルタを定抵抗フィルタに変形して直接直列接続する方式がある。
以下に、基本フィルタを定抵抗フィルタで構成する実施例を示す。
【００４３】
図８は、基本フィルタの構成例を示しており、同図(1)〜(3)は、それぞれ、図7(3)の周波数特性を示す定抵抗フィルタ（タイプ１）〜定抵抗フィルタ（タイプ３）を示している。このように、定抵抗型の基本フィルタとして種々のタイプが可能である。
【００４４】
図9及び図10は、それぞれ、図8(3)に示した定抵抗フィルタ（タイプ３）の集中定数及び分布定数回路図を示している。
図11は、定抵抗フィルタ（タイプ３）のパラメータS21の周波数特性を示している。曲線E、Fは、それぞれ、図13の集中定数又は図10の分布定数による周波数特性を示している。分布定数で解析した定抵抗フィルタ（タイプ３）の特性は、1.4GHz以下で集中定数の特性に近似している。
【００４５】
従って、図7(3)に示した周波数（f1，f2）が、それぞれ、（0.1GHz，0.105GHz）、（0.8GHz，0.88GHz）、（4.5GHz，5.76GHz）である基本フィルタを、図８(3)に示した定抵抗フィルタ（タイプ３）で構成する。そして、これらの３つの定抵抗フィルタを直接接続することで、図7(1)の特性Dを有する等化フィルタ30を構成することが可能である。
【００４６】
（付記１）
光波を伝搬する光導波路と、該光波を変調信号によって変調するための作用量を該光導波路に与える電気導波路と、該変調信号を、該作用量の周波数特性を近似する信号に変換して該電気導波路に与えるフィルタと、を有することを特徴とした光変調器。
【００４７】
（付記２）付記１において、
該作用量の周波数特性が、該電気導波路における表皮効果に起因する特性であることを特徴とした光変調器。
（付記３）付記２において、
該電気導波路が、電気光学効果により該光波の光位相変調を行うことを特徴とした光変調器。
【００４８】
（付記４）付記３において
該電気導波路と該光導波路との間の電気光学効果が作用する区間長と、該電気導波路に与える電圧値とが相互に決定されることを特徴とした光変調器。
（付記５）付記１において、
該フィルタが、多段直列接続した複数の定抵抗フィルタで構成されていることを特徴とした光変調器。
【００４９】
（付記６）付記１において、
該フィルタが、アンプを介して多段直列接続されたもので構成されていることを特徴とした光変調器。
（付記７）付記１において、
１又は２つの光変調器でマッハツェンダ型光変調器を構成したことを特徴とした光変調器。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光変調器によれば、フィルタが変調信号を作用量の周波数特性を近似する信号に変換して電気導波路に与えるように構成したので、光導波路に入力される作用量の高周波帯域における減衰を少なくすることが可能になる。これにより、符号間干渉による光波形の劣化を少なくすることができる。
【００５１】
また、該フィルタが、該電気導波路における表皮効果に起因する該作用量の周波数特性を近似することにより、該電気導波路と該光導波路との作用区間を長くすることが可能になる。これにより、例えば、進行波型光位相変調器の電気導波路20を駆動する電圧を低くすることが可能になり電気導波路20のドライバ50の設計が容易になる。
【００５２】
さらに、本発明の光変調器でマッハツェンダ型光変調器を構成することにより、このマッハツェンダ型光変調器は高周波数帯域における減衰が少ないものとすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光変調器の原理(1)を示したブロック図である。
【図２】本発明に係る光変調器の原理(2)を示したグラフ図及びブロック図である。
【図３】本発明に係る光変調器の原理(3)を示したグラフ図である。
【図４】本発明に係る光変調器のフィルタ例を示した回路図である。
【図５】本発明に係る光変調器の実施例(1)における減衰量及び作用量の周波数特性を示したグラフ図及び表である。
【図６】本発明に係る光変調器の実施例(2)における減衰量及び作用量の周波数特性を示したグラフ図及び表である。
【図７】本発明に係る光変調器の実施例(2)におけるフィルタ例及びその周波数特性を示した図である。
【図８】本発明に係る光変調器におけるフィルタ（タイプ１〜３）の構成例を示した図である。
【図９】本発明に係る光変調器におけるフィルタを構成する定抵抗フィルタを集中定数表示した回路図である。
【図１０】本発明に係る光変調器におけるフィルタを構成する定抵抗フィルタを分布定数表示した回路図である。
【図１１】本発明に係る光変調器における定抵抗フィルタの周波数特性を示した図である。
【図１２】従来の光変調器の構成例示したブロック図である。
【符号の説明】
100,100'  光変調器
10  光導波路                      20  電気導波路
30  フィルタ                      31#1〜31#3  アンプ
32#1〜32#3  フィルタ              40  変調信号発生部、変調電源
42  内部抵抗                      44  終端抵抗
50  ドライバ                      71，71a，72  変調信号号
80  作用量                        81，82  光波
R1，R2  抵抗                       C1  容量
Z  インピーダンス
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【図１】
0003717418.tif 000014
【図２】
0003717418.tif 000015
【図３】
0003717418.tif 000016
【図４】
0003717418.tif 000017
【図５】
0003717418.tif 000018
【図６】
0003717418.tif 000019
【図７】
0003717418.tif 000020
【図８】
0003717418.tif 000021
【図９】
0003717418.tif 000022
【図１０】
0003717418.tif 000023
【図１１】
0003717418.tif 000024
【図１２】
0003717418.tif 000025