JP6299301B2 - 半導体光変調装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気信号に基づいて光信号を変調する半導体光変調素子を備える半導体光変調装置に関し、特に周波数応答特性を改善することができる半導体光変調装置に関する。
並列に接続された半導体光変調素子と抵抗にインピーダンスの低い金属ステム部の伝送線路部が接続され、その伝送線路部にフレキシブル基板が接続された半導体光変調装置において、多重反射の影響を抑えて周波数応答特性を改善するためにフレキシブル基板の伝送線路の一部に整合インピーダンスよりも低いインピーダンスの線路を付加することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、周波数応答特性を改善するために、フレキシブル基板上の差動信号線路間に抵抗及び容量の直列回路を接続することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１２−２３０１７６号公報 特開２００５−２８６３０５号公報
しかし、特許文献１の半導体光変調装置では、周波数応答特性を十分に改善できる周波数は１０ＧＨｚ付近の高周波の領域のみであり、５ＧＨｚ以下の周波数に対しては改善効果が小さかった。また、特許文献２では金属ステムと半導体光素子の距離が近く、帯域内の周波数では半導体光素子と金属ステム間の多重反射が発生しないため、多重反射の影響を抑える発明とは関係が無い。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は広い周波数領域において周波数応答特性を十分に改善できる半導体光変調装置を得るものである。
本発明に係る半導体光変調装置は、一端が基準電位に接続された半導体光変調素子と、前記半導体光変調素子に並列に接続され、一端が基準電位に接続された第１の抵抗と、一端が前記半導体光変調素子の他端と前記第１の抵抗の他端に接続された第１の伝送線路と、前記第１の伝送線路と基準電位との間に直列に接続された第２の抵抗及び容量と、前記第１の伝送線路に直列に接続され、前記第２の抵抗及び前記容量に並列に接続され、一端が前記第１の伝送線路の他端に接続された第２の伝送線路と、前記第２の伝送線路と基準電位との間に直列に接続され、前記第２の抵抗及び前記容量に並列に接続された第３の抵抗及びインダクタとを備えることを特徴とする。
本発明では第１及び第３の伝送線路の間にインピーダンスが低い第２の伝送線路を設け、第３の伝送線路に第２の抵抗及び容量の直列回路を接続する。この直列回路が低インピーダンスの第２の伝送線路で発生する群遅延特性偏差を補償する。これにより、広い周波数領域において周波数応答特性を十分に改善できる。
本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置を示す回路図である。 うねりが生じている通過特性を示す図である。 うねりが生じている場合の群遅延特性を示す図である。 うねりが生じている場合の光出力波形を示す図である。 抵抗及び容量の直列回路の特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の通過特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の群遅延特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の光出力波形を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の変形例を示す回路図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体光変調装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係るフレキシブル基板を示す側面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置を示す回路図である。 抵抗及びインダクタの直列回路の周波数応答特性を示す図である。 抵抗及びインダクタの直列回路があり、抵抗及び容量の直列回路が無い場合の群遅延特性を示す図である。 抵抗及びインダクタの直列回路があり、抵抗及び容量の直列回路が無い場合の光出力波形を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置の周波数応答特性を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置の光出力波形を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置の変形例を示す回路図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体光変調装置を示す平面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体光変調装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置を示す回路図である。ダイオードである半導体光変調素子１のカソードが基準電位に接続されている。抵抗２が半導体光変調素子１に並列に接続され、その一端が基準電位に接続されている。伝送線路３の一端が半導体光変調素子１のアノードと抵抗２の他端に接続されている。
伝送線路４が伝送線路３に直列に接続され、その一端が伝送線路３の他端に接続されている。伝送線路４は抵抗２よりも低いインピーダンスを持つ。伝送線路５が伝送線路３，４に直列に接続され、その一端が伝送線路４の他端に接続されている。伝送線路５は伝送線路３と等しいインピーダンスを持つ。抵抗６及び容量７が伝送線路５と基準電位との間に直列に接続されている。抵抗２の抵抗値と伝送線路３，５のインピーダンスは例えば整合系の５０Ωである。
例えば、金属ステムをパッケージとして使用する半導体光変調装置では、金属ステムのガラス貫通部が低インピーダンスの伝送線路４になる。温度制御装置（Thermo Electric Cooler）に半導体光変調素子１を搭載するため、ガラス貫通部から半導体光変調素子１までを伝送線路３で接続する。パッケージ外部に接続されるフレキシブル基板に伝送線路５が設けられる。フレキシブル基板上に抵抗６及び容量７の直列回路がチップ部品として設けられる。
続いて、上記の半導体光変調装置の動作を説明する。半導体光変調素子１は容量の寄生成分や抵抗成分を含む。半導体光変調素子１を伝送線路３に接続するワイヤの寄生インダクタンスも存在する。このため、多重反射が起こる。
また、抵抗２の抵抗値と伝送線路３，５のインピーダンスが等しく、伝送線路４のインピーダンスが低い。このため、半導体光変調素子１と伝送線路４の間でも多重反射が起こる。
以下の数式１が成立する周波数では、多重反射した信号が半導体光変調素子１に戻ってきたときに１８０度位相が回転し、信号が弱めあう。
２×Ｌ１×√εｒ＝１／２×ｃ／ｆ （数式１）
ここで、伝送線路３の長さをＬ１、比誘電率をεｒ、周波数をｆ、電気の速度をｃとする。
図２は、うねりが生じている通過特性を示す図である。Ｌ１を２．５ｍｍ、εｒを９とした場合、１０ＧＨｚで１８０度位相が回転することになる。この条件で周波数を横軸、利得を縦軸として０．１ＧＨｚから２０ＧＨｚまでシミュレーションを行った。図２に示すように特性にうねりが生じることが分かる。図３は、うねりが生じている場合の群遅延特性を示す図である。通過特性に図２に示すうねりが生じた場合、図３に示すように群遅延特性の偏差が大きくなる。
図４は、うねりが生じている場合の光出力波形を示す図である。１０Ｇｂｐｓの光通信システムではデータ信号に数ｋＨｚから１０ＧＨｚ程度までの周波数成分が含まれる。電気信号から光信号に変換された光出力波形はランダム信号の重ねあわせ結果である。このとき群遅延特性の偏差が大きくなると周波数ごとに遅延時間が異なるためジッタが増大する。
伝送線路５に接続される抵抗６及び容量７の直列回路は、ＤＣに対してはインピーダンスが無限大となるため作用しない。周波数が上がるにつれて徐々にインピーダンスが下がり、容量のインピーダンスが無視できるほど小さくなると、抵抗６の抵抗値で飽和する。抵抗６及び容量７の直列回路の合成インピーダンスＺ１は、抵抗６の抵抗値をＲ１、容量をＣとすると以下の数式２で表される。
Ｚ１＝Ｒ１＋１／（２ｊπｆＣ） （数式２）
図５は、抵抗及び容量の直列回路の特性を示す図である。抵抗の抵抗値を２２０Ω、容量の容量値を０．１ｐＦとした。
図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の通過特性を示す図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の群遅延特性を示す図である。図８は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の光出力波形を示す図である。ＤＣ付近から１０ＧＨｚまでの周波数に対して利得のうねりが小さくなり、群遅延特性の偏差も小さくなる。光出力波形においてジッタの指標となるＳＮ（Signal-Noise）比が改善していることが分かる。
以上説明したように、本実施の形態では、伝送線路３，５の間にインピーダンスが低い伝送線路４を設け、伝送線路５に抵抗６と容量７の直列回路を接続する。この直列回路が低インピーダンスの伝送線路４で発生する群遅延特性偏差を補償する。これにより、１０ＧＨｚ付近の高周波の領域だけでなく、５ＧＨｚ以下の低周波でも周波数応答特性が改善される。即ち、広い周波数領域において周波数応答特性を十分に改善できる。
図９は、本発明の実施の形態１に係る半導体光変調装置の変形例を示す回路図である。抵抗２と基準電位との間に１ｎＦ以上の容量８が接続されている。この場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
なお、抵抗２と伝送線路３のインピーダンスが一致していない場合も、抵抗６と容量７のパラメータを調整することで実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、抵抗６と容量７の配置が入れ替わっても同様の効果を得ることができる。
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体光変調装置を示す平面図である。図１１は、本発明の実施の形態２に係るフレキシブル基板を示す側面図である。本実施の形態に係る半導体光変調装置の回路構成は図１と同様である。
半導体光変調素子１等が実装された金属ステム９にフレキシブル基板１０が接続されている。フレキシブル基板１０のベース材料はεｒが３〜５程度の誘電体材質であり、厚みは１０〜５０ｕｍ程度である。伝送線路５はフレキシブル基板１０上に設けられ、フレキシブル基板１０の下面に基準電位を持つ基準電位配線パターン１１が設けられている。このようにベース材料の上下面を伝送線路と基準電位とすることでマイクロストリップ線路を構成することができる。
抵抗６はフレキシブル基板１０上に設けられたチップ部品であり、容量７はフレキシブル基板１０上に設けられた配線パターンである。このとき、配線パターンの大きさＳを５００ｕｍ□、フレキシブル基板の比誘電率εｒを４．０、厚みｔを５０ｕｍとすると、容量７の容量値Ｃは以下の数式３で表される。
Ｃ＝ε×εｒ×Ｓ／ｄ＝０．１７７ｐＦ （数式３）
以上説明したように、本実施の形態では、容量７はフレキシブル基板１０上に設けられた配線パターンである。これにより、チップ部品と同等程度の大きさの配線パターンで容量７を構成することができるため、チップ部品を削減でき、安価に構成することができる。
実施の形態３．
実施の形態２では、フレキシブル基板１０上に設けられた伝送線路５、フレキシブル基板１０上に抵抗６として設けられたチップ部品、フレキシブル基板１０上に容量７として設けられた配線パターンを用いる例を示したが、本実施の形態では、フレキシブル基板１０の代わりに誘電体基板を用い、誘電体基板上に抵抗６として設けられた薄膜抵抗、誘電体基板上に容量７として設けられた配線パターンを用いる。なお、配線パターンは図１０の矩形形状の代わりに、櫛歯状にしてもよい。
これにより、１つの誘電体基板上に抵抗と容量を安価に構成することができる。また、容量７を櫛歯状にすることにより、基準電位配線パターン１１と近接する長さを確保でき、省スペースで容量を構成することができる。
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置を示す回路図である。半導体光変調素子１の一端が基準電位に接続されている。抵抗２が半導体光変調素子１に並列に接続され、その一端が基準電位に接続されている。伝送線路１５の一端が半導体光変調素子１の他端と抵抗２の他端に接続されている。抵抗６及び容量７が伝送線路１５と基準電位との間に直列に接続されている。伝送線路１６が伝送線路１５に直列に接続され、伝送線路１６の一端が伝送線路１５の他端に接続されている。抵抗１７及びインダクタ１８が伝送線路１６と基準電位との間に直列に接続されている。
抵抗１７の抵抗値をＲ２とし、インダクタ１８のインダクタンスをＬとすると、抵抗１７及びインダクタ１８の直列回路の合成インピーダンスＺ２は以下の数式４で表される。
Ｚ２＝Ｒ２＋２ｊπｆＬ （数式４）
低周波ではインダクタンスＬの項が無視できるので、Ｚ２は抵抗値Ｒ２とほぼ等しくなる。周波数が高くなるに連れてインダクタンスＬの項のインピーダンスが上がる。この直列回路は抵抗２と並列に接続されるので、通過特性の利得は低周波時には利得が下がり、高周波では利得が上がる。
図１３は、抵抗及びインダクタの直列回路の周波数応答特性を示す図である。抵抗の抵抗値を１２０Ω、インダクタのインダクタンスを６．８ｎＨとした。図１４は、抵抗及びインダクタの直列回路があり、抵抗及び容量の直列回路が無い場合の群遅延特性を示す図である。図１５は、抵抗及びインダクタの直列回路があり、抵抗及び容量の直列回路が無い場合の光出力波形を示す図である。帯域が狭い半導体光変調装置と組みあわせると高周波で利得が持ち上がり改善効果が得られるが、帯域が広い半導体光変調装置と組み合わせると過補償になり、群遅延偏差が大きくなって、光出力波形の品質が劣化する。
一方、抵抗及び容量の直列回路の特性は図５のようになる。そこで、本実施の形態では抵抗６及び容量７の直列回路と抵抗１７及びインダクタ１８の直列回路を組み合わせている。図１６は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置の周波数応答特性を示す図である。図１７は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置の光出力波形を示す図である。抵抗１７の抵抗値を２００Ω、インダクタ１８のインダクタンスを６．８ｎＨ、抵抗６の抵抗値を１２０Ω、容量７の容量値を０．２ｐＦとした。これらの図から、本実施の形態により、広い周波数領域において周波数応答特性を十分に改善できることが分かる。
図１８は、本発明の実施の形態４に係る半導体光変調装置の変形例を示す回路図である。実施の形態１と同様の半導体光変調装置に伝送線路１６、抵抗１７及びインダクタ１８が追加されている。これにより、伝送線路上にインピーダンスが不整合となる箇所がある場合でも、抵抗６及び容量７の直列回路の定数を最適化することで同様の効果を得ることができる。なお、抵抗６及び容量７の配置が入れ替わってもよく、抵抗１７及びインダクタ１８の配置は入れ替わってもよい。
実施の形態５．
図１９は、本発明の実施の形態５に係る半導体光変調装置を示す平面図である。本実施の形態に係る半導体光変調装置の回路構成は図１２と同様である。半導体光変調素子１、抵抗２，６、伝送線路１５、容量７、及び基準電位を持つ基準電位配線パターン１１が誘電体基板１２上に設けられている。半導体光変調素子１は、抵抗２と伝送線路３にそれぞれワイヤ１３，１４により接続されている。抵抗２，６は誘電体基板１２上に設けられた薄膜抵抗である。容量７は基準電位配線パターン１１と近接しながら誘電体基板１２上に設けられた櫛歯状の配線パターンである。なお、伝送線路１５に接続された伝送線路１６、抵抗１７及びインダクタ１８は図示していない。
本実施の形態では、抵抗２，６は誘電体基板１２上に設けられた薄膜抵抗であり、容量７は誘電体基板１２上に設けられた配線パターンである。これにより、１つの誘電体基板１２上に抵抗と容量を安価に構成することができる。また、容量７を櫛歯状にすることにより、基準電位配線パターン１１と近接する長さを確保でき、省スペースで容量を構成することができる。
１ 半導体光変調素子、２ 抵抗（第１の抵抗）、３ 伝送線路（第１の伝送線路）、４ 伝送線路（第２の伝送線路）、５ 伝送線路（第３の伝送線路）、６ 抵抗（第２の抵抗）、７ 容量、１０ フレキシブル基板、１２ 誘電体基板、１５ 伝送線路（第１の伝送線路）、１６ 伝送線路（第２の伝送線路）、１７ 抵抗（第３の抵抗）、１８ インダクタ

Claims (2)

  1. 一端が基準電位に接続された半導体光変調素子と、
    前記半導体光変調素子に並列に接続され、一端が基準電位に接続された第１の抵抗と、
    一端が前記半導体光変調素子の他端と前記第１の抵抗の他端に接続された第１の伝送線路と、
    前記第１の伝送線路と基準電位との間に直列に接続された第２の抵抗及び容量と、
    前記第１の伝送線路に直列に接続され、前記第２の抵抗及び前記容量に並列に接続され、一端が前記第１の伝送線路の他端に接続された第２の伝送線路と、
    前記第２の伝送線路と基準電位との間に直列に接続され、前記第２の抵抗及び前記容量に並列に接続された第３の抵抗及びインダクタとを備えることを特徴とする半導体光変調装置。
  2. 前記第１の伝送線路は誘電体基板上に設けられ、前記第１及び第２の抵抗は前記誘電体基板上に設けられた薄膜抵抗であり、前記容量は前記誘電体基板上に設けられた配線パターンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調装置。
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